(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平ボーリング工法に用いる地中位置検知システムにおいて、回転しながら掘進する配管内に長手回りの回転を拘束して接続した同じ長さの２本のリンクを配設し、前記２本のリンク中の掘削原点側の第１リンクに取り付けた３個の加速度センサによって求めた重力ベクトルの方向から前記第１リンクの姿勢と、前記第１リンクと第２リンクの接続点の位置を求め、前記第１リンクと該第１リンクに接続される掘削原点とは反対側の前記第２リンクのなす角を測定して、これらの観測量から前記第２リンクの姿勢を求め、リンク１本分掘り進んだときに２本のリンクが同一経路を通過していれば前ステップの前記第２リンクの姿勢及び位置と前記第１リンクの姿勢及び位置が等しくなることを利用して前記配管内のリンク先端の座標を逐次求めることを特徴とする地中位置検知システム。
【請求項２】
請求項１記載の地中位置検知システムにおいて、前記第２リンクの先端に配置される掘削装置と光学測量器をクローラドリルなどの共通架台上に設置し、前記光学測量器の視準により位置検知装置の掘削開始時の姿勢を自動的に算出することを特徴とする地中位置検知システム。
【請求項３】
請求項１記載の地中位置検知システムにおいて、前記配管の外部を絶縁し、該配管を信号路に、大地を帰線とした、ケーブルを用いない地中位置計測情報を伝送することを特徴とする地中位置検知システム。
【請求項４】
請求項１記載の地中位置検知システムにおいて、前記配管の内部に絶縁層と導通層を設け、該導通層を信号路に、前記配管を帰線とする、ケーブルを用いない地中位置計測情報を伝送することを特徴とする地中位置検知システム。
【請求項５】
請求項１記載の地中位置検知システムにおいて、位置検知装置（地下）側に発音体を配設し、該発音体からの変調された音波信号を地上側の受音体で受けて、位置検知情報を伝送することを特徴とする地中位置検知システム。
【請求項６】
請求項３、４又は５記載の地中位置計測情報の伝送方式を組み合わせて用いることを特徴とする地中位置検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＨＤＤ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｄｒｉｌｌｉｎｇ）工法に用いるリンク先端の地中位置検知システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
既に、本発明者らによって、パイプを回転させずに掘進する推進工法用の地中位置測定システムが提案されている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
図８は従来の水平ボーリング（ＨＤＤ）工法を示す模式図である。
【０００４】
この図において、１０１は地上、１０２は地中、１０３は推進工法用専用機、１０４は回転しながら掘進する配管（パイプ）、１０５は配管１０３の先端部に配置されるドリルである。
【０００５】
ここで、推進工法用専用機１０３の駆動により、配管１０４は回転しながらドリル１０５により掘進する。
【０００６】
水平ボーリング（ＨＤＤ）工法は、配管を回転させながら掘り進む工法であり、この工法の性質上、配管（パイプ）の先端を検知するには種々の問題が発生する。
【０００７】
（１）計測器を搭載しても、その計測器が配管（パイプ）とともに回転する。
【０００８】
（２）計測処理の許容時間が極端に短い。
【０００９】
（３）先端まで計測用コード等を引き通す場合に、配管（パイプ）の回転によりコード等が絡まる。
【００１０】
このような問題に対処する必要がある。
【００１１】
反面、精度については０．５％程度の誤差が許容され、推進工法に比較して一桁大きな誤差が許される（下記特許文献２参照）。
【００１２】
これまでの先行技術としては、（Ａ）配管の先端に電波発振器を取り付けて地上で誘導する方法や、（Ｂ）掘削後に三次元ジャイロを走行させて計測する方法等があった（下記特許文献３参照）。
【００１３】
しかし上記（Ａ）の方法では、地上に作業員を配置する必要があるため、従業員の立ち入れない鉄道、高速道路、河川などの下では施工が不可能であった。
【００１４】
また、上記（Ｂ）の方法は、掘削方向の誘導制御が不可能である。
【特許文献１】特開２００６−１６２３５８号公報
【特許文献２】特開平１１−０２３２７１号公報
【特許文献３】特開２００２−４８５４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記したように、従来の水平ボーリング（ＨＤＤ）工法では、（１）計測器を搭載しても、この計測器が配管（パイプ）とともに回転する。（２）計測処理の許容時間が極端に短い。（３）地中位置計測情報を伝送するためにケーブルを用いようとすると、配管（パイプ）の回転によりケーブルが絡まる等の問題に対処する必要がある。反面、精度については１％程度の誤差が許容され、推進工法に比較して一桁大きな誤差が許される。
【００１６】
本発明は、上記状況に鑑みて、配管（パイプ）の回転にもかかわらず、配管の先端部位を外部からの誘導なしに的確に検知することができる地中位置検知システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕水平ボーリング工法に用いる地中位置検知システムにおいて、回転しながら掘進する配管内に長手回りの回転を拘束して接続した同じ長さの２本のリンクを配設し、前記２本のリンク中の掘削原点側の第１リンクに取り付けた３個の加速度センサによって求めた重力ベクトルの方向から前記第１リンクの姿勢と、前記第１リンクと第２リンクの接続点の位置を求め、前記第１リンクと該第１リンクに接続される掘削原点とは反対側の前記第２リンクのなす角を測定して、これらの観測量から前記第２リンクの姿勢を求め、リンク１本分掘り進んだときに２本のリンクが同一経路を通過していれば前ステップの前記第２リンクの姿勢及び位置と前記第１リンクの姿勢及び位置が等しくなることを利用して前記配管内のリンク先端の座標を逐次求めることを特徴とする。
【００１８】
〔２〕上記〔１〕記載の地中位置検知システムにおいて、前記第２リンクの先端に配置される掘削装置と光学測量器をクローラドリルなどの共通架台上に設置し、前記光学測量器の視準により位置検知装置の掘削開始時の姿勢を自動的に算出することを特徴とする。
【００１９】
〔３〕上記〔１〕記載の地中位置検知システムにおいて、前記配管の外部を絶縁し、この配管を信号路に、大地を帰線とした、ケーブルを用いない地中位置計測情報を伝送することを特徴とする。
【００２０】
〔４〕上記〔１〕記載の地中位置検知システムにおいて、前記配管の内部に絶縁層と導通層を設け、この導通層を信号路に、前記配管を帰線とする、ケーブルを用いない地中位置計測情報を伝送することを特徴とする。
【００２１】
〔５〕上記〔１〕記載の地中位置検知システムにおいて、位置検知装置（地下）側に発音体を配設し、この発音体からの変調された音波信号を地上側の受音体で受けて、位置検知情報を伝送することを特徴とする。
【００２２】
〔６〕地中位置検知システムであって、上記〔３〕、〔４〕又は〔５〕記載の地中位置計測情報の伝送方式を組み合わせて用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００２４】
（１）配管（パイプ）の回転にもかかわらず、配管の先端部位を的確に検知することができる。
【００２５】
（２）水平ボーリング（ＨＤＤ）における掘削方向制御を、ジャイロコンパスを用いずに簡便に構築することができる。
【００２６】
（３）地上誘導が不要になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の水平ボーリング工法に用いる地中位置検知システムは、回転しながら掘進する配管内に長手方向の回転を拘束して接続した同じ長さの２本のリンクを配設し、前記２本のリンク中の掘削原点側の第１リンクに取り付けた３個の加速度センサによって求めた重力ベクトルの方向から前記第１リンクの姿勢と、前記第１リンクと第２リンクの接続点の位置を求め、前記第１リンクと該第１リンクに接続される掘削原点とは反対側の前記第２リンクのなす角を測定して、これらの観測量から前記第２リンクの姿勢を求め、リンク１本分掘り進んだときに２本のリンクが同一経路を通過していれば前ステップの前記第２リンクの姿勢及び位置と前記第１リンクの姿勢及び位置が等しくなることを利用して前記配管内のリンク先端の座標を逐次求める。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２９】
まず、システム設計の前提となるシステム設計にあたって以下の仮定を置く。
【００３０】
（１）装置はクローラドリルなどの準固定的な台（共通架台）の上に架設され、掘削機と到達目標の位置関係は測定できるものとする。
【００３１】
（２）推進距離に対して０．５％以下の誤差を目標とする。
【００３２】
（３）測定器は配管（パイプ）と一緒に回転するものとする。
【００３３】
（４）配管（パイプ）は弾性により曲がるものとする。
【００３４】
次に、測定原理について説明する。
【００３５】
まず、装置構成と座標系の定義について説明する。
【００３６】
図１は本発明の地中位置検知システム（配管は図示なし）の模式図、図２は本発明の地中位置検知システムの座標系の説明図である。
【００３７】
図１に示すように、配管の管壁（図示なし）に対して支持されるジョイントを持つ２本のリンクＬ1 ，Ｌ2 で構成する。ジョイントＪ1 は、配管の管壁に対しピッチ、ヨーの自由度を持ち、ロール回転を許さない。ジョイントＪ2 はリンクＬ1 に対してリンクＬ2 をロールに対して剛に、かつ配管に対して長手方向に自由に保持する。ジョイントＪ3 は配管の管壁に対してリンクＬ2 を回転可能に、かつ配管に対して長手方向に自由に支持する。
【００３８】
リンクＬ1 とリンクＬ2 の相対角はエンコーダ１，２で測定する。リンクＬ1 の座標軸（ｘA ，ｙA ，ｚA ）の方向に向けて加速度センサ３を配置し、水平面に対するリンクＬ1 の姿勢を測定する。
【００３９】
図２に示すように、リンクＬ1 に固定された座標系をＡ座標系、リンクＬ2 に固定された座標系をＢ座標系、掘削原点Ｏから到達点に向かうベクトルの水平面への投影をｘ軸（ｘC ）、重力加速度ベクトルをｚ軸（ｚC ）、ｚC ×ｘC をｙ軸（ｙC ）とする座標系をＣ座標系（グローバル座標系）とする。
【００４０】
図３は本発明の配管を有する地中位置検知システムの模式図である。
【００４１】
この図において、Ｐ1 は掘削原点側の第１の配管、Ｐ2 は掘削原点から離れている側の第２の配管、Ｌ1 掘削原点側の第１のリンク、Ｌ2 掘削原点から離れている側の第２のリンク、１１は掘削機、１２は共通架台、１３は光学測量器である。
【００４２】
そこで、初期姿勢・リンク先端位置の計測について説明する。
（１）掘削機１１と同一共通架台１２上にセットされたセオドライトで目標を視準し、測定した角度を用いて掘削開始点Ｏから目標に向かう方向の単位ベクトルＵ０を求める。掘削機１１の方向調整は鉛直軸回りになされるものとする。
（２）座標系の定義より、
ｚC ＝Ｇ                                                    …（１）
ｙC ＝（Ｇ×Ｕ）／｜Ｇ×Ｕ｜                                …（２）
ｘC ＝ｙC ×ｚC                                             …（３）
（３）掘削開始時点におけるリンクＬ1 の主軸方向単位ベクトルＶ1 は掘削機の主軸方向単位ベクトルＶ0 に一致しているものとする。
【００４３】
Ｖ1 ＝Ｖ0                                                   …（４）
また、掘削機が鉛直軸回りに回転することから、Ｃ座標上でψのヨー角を持つ掘削機のｙ軸方向上の単位ベクトルはｚ軸回り回転変換をＲｚとして次式（５）で表される。
【００４４】
0005031623.tif 000002
…（５）
（４）Ａ座標軸上で表した重力加速度方向の単位ベクトルｇA は３個の加速度センサ３の出力から次式（６）で構成される。
【００４５】
0005031623.tif 000003
…（６）
ａｘ：ｘ軸方向加速度、ａｙ：ｙ軸方向加速度、ａｚ：ｚ軸方向加速度、ｇ：重力加速度（９．８ｍ／ｓ2 ）
また、Ａ座標系で表したＶ1 は
0005031623.tif 000004
…（７）
Ｊ0 はＧおよびＶ0 と直交しているからＡ座標上で表したＪ0 は
Ｊ0A＝（ｇA ×Ｖ1A）／｜ｇA ×Ｖ1A｜                        …（８）
（５）Ａ座標系からＣ座標系への変換行列ＲACをＣ座標からＡ座標への変換行列をＲCAとすると、上記式（１），（４）〜（８）により、次式（９）、（１０）が得られる。
【００４６】
［Ｖ0   Ｇ  Ｊ0 ］＝ＲAC［Ｖ1A  ｇA   Ｊ0A］
ＲAC［Ｖ1A  ｇA   Ｊ0A］［Ｖ0   Ｇ  Ｊ0 ］-1                …（９）
ＲCA＝ＲAC-1                                              …（１０）
（６）リンクＬ1 の先端座標Ｐ1 は上記式（９）より、リンク長をｌ、出発座標をＰ0 として、式（１１）となる。
【００４７】
0005031623.tif 000005
…（１１）
（７）リンクＬ1 からみたリンクＬ2 のピッチ角をθ、ヨー角をψとし、ｙ軸回りの回転変換行列をＲy 、ｚ軸回りの回転変換行列をＲz とする。ＲACの各列はそれぞれＡ座標ｘ，ｙ，ｚ軸上の単位ベクトルの成分を示すから、この単位ベクトルをピッチ、ヨー回転変換とするとリンクＬ2 の姿勢が求まる。これをＲBCとする。この主軸方向上の単位ベクトルをＶ2 とする。
【００４８】
ＲBC＝Ｒz Ｒy ＲAC                                        …（１２）
ＲCB＝ＲBC-1                                              …（１３）
0005031623.tif 000006
…（１４）
このときＢ座標上で見た重力ベクトルの方向は
0005031623.tif 000007
…（１５）
次に、第２ステップ以降の姿勢・位置計測について説明する。
（１）ｎステップのＬ1 リンク姿勢
１リンクの長さ分、掘削するとリンクＬ1 の元端は前回のリンクＬ1 先端座標Ｐ1 n-1 点に来ている。リンクＬ1 がリンクＬ2 の軌跡をトレースしていれば、このときリンクＬ1 の主軸方向単位ベクトルＶ1nは前回のリンクＬ2 の主軸方向単位ベクトルＶ2n-1と同じになる。
【００４９】
Ｖ1n＝Ｖ2n-1                                              …（１６）
直前に求めたＢ座標上の重力加速度方向ベクトルｇBn-1を、加速度センサ３の測定から求めた重力加速度方向単位ベクトルをｇAnとすると、ｎステップの座標系Ａn はｎ−１ステップの座標系Ｂn-1 に対してロール角だけが異なるから、Ｂn-1 の主軸回りに座標系を回転してｇBn-1とｇAnが最も近づく角度を探せばよい。よって、次式（１７）のθを求める。
【００５０】
θ＝ａｒｇｍｉｎ〔ｇAn・（ｒｏｔ（Ｖ1n，θ）ｇBn-1）〕      …（１７）
このとき、リンクＬ1 の姿勢は、前ステップのリンクＬ2 の姿勢をＶ1n回りにθだけ回転したものであるから、前ステップのリンクＬ2 の姿勢を用いてＣ座標上で示すと、次式（１８）となる。
【００５１】
ＲACn ＝ｒｏｔ（Ｖ1n，θ）ＲBCn-1                         …（１８）
なお、ここで、ｒｏｔ（Ｖ，θ）は、ベクトルＶを中心としてθだけ回転する回転変換行列である。
（２）リンクＬ1 の先端座標Ｐ1nは次式（１９）の逐次式で示される。
【００５２】
0005031623.tif 000008
…（１９）
（３）リンクＬ2 の姿勢計算
上記式（１２）〜（１５）を用いて、ｎステップの姿勢ＲBCn 、主軸方向ベクトルＶ2n、重力加速度ベクトルｇBnを求める。
（４）以上を繰り返し、逐次の座標と姿勢を求めていく。
【００５３】
次に、情報伝送路の構築について説明する。
【００５４】
水平ボーリング（ＨＤＤ）工法では配管が回転するため、情報伝送するためにケーブルを用いると、ねじれて絡んでしまう。すなわち、一般的なケーブルでは安定して地上へ計測器からの情報を伝送するのが難しいと考えられる。
【００５５】
電源供給については１回の作業時間が短いことから、バッテリーを搭載することでケーブルを使用しないことが可能であるが、情報伝送は、何らかの伝送経路がないとシステムが成立しない。
【００５６】
したがって、以下のような方策を採用する。
（１）図４は本発明の地中位置検知システムの第１の情報伝送方式の模式図である。
【００５７】
この図において、２１は配管、２２はその配管２１の外周面に形成される絶縁層、２３は配管２１のねじ部である。例えば、ねじ部２３を除く配管２１の外周部をエポキシ樹脂等で絶縁する。
【００５８】
そこで、配管２１を信号経路として用い、帰線は大地を使う。
（２）図５及び図６は本発明の地中位置検知システムの第２の情報伝送方式の模式図であり、図５はその配管の断面図、図６はその配管の接続継手の模式図である。
【００５９】
この図において、３１は配管、３２は配管３１の内周面に形成される絶縁層、３３はその絶縁層３２上に形成される導通層、３４は接続継手であり、図６に示すように、配管の継手部分においては、各配管が接続継手３４によって電気的接続が行われている。
【００６０】
このように、配管３１内面に絶縁層３２と導通層３３が形成される。配管３１の継手部分は絶縁しておき、端部にキャップをはめて、配管３１をねじ込んだときに導通層３３同士が接続されるようにする。帰線は大地を用いる。
【００６１】
なお、上記した地中位置検知システムの第１の情報伝送方式と地中位置検知システムの第２の情報伝送方式とは組み合わせて用いるようにしてもよい。
【００６２】
図７は本発明の地中位置検知システムの第３の情報伝送方式の模式図である。  この図において、４１は配管、４２は位置検知装置、４３は変調音波発生器、４４は配管４１の位置検知装置４２（地下Ａ）側に配置される発音体としてのスピーカー、４５は配管４１の地上Ｂ側に配置される受音体としてのマイク、４６は変調音波である。なお、変調音波発生器４３はスピーカー４４から発音される変調音波を生成する。つまり、伝送信号により変調音波発生器４３で可聴帯域に近い超音波が変調され、その変調音波４６が配管４１内を地下側から地上側へと伝搬される。
【００６３】
このように、伝送信号により可聴帯域に近い超音波が変調音波発生器４３で変調されて搬送波となり、位置検知装置４２からの位置検知情報を搬送波としての変調音波４６に重畳し、この変調音波を発音体であるスピーカー４４で発音して、配管４１内を音波の形で伝送することにより、位置検知装置４２からの位置検知情報をマイク４４で受信することができる。
【００６４】
変調方式としては伝送情報の「１」，「０」に対して振幅レベルを変えるＡＳＫ方式（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）や、周波数を変えるＦＳＫ方式（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）等を用いる。
【００６５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の地中位置検知システムは、ジャイロコンパスレスで、構造が簡便な水平ボーリング工法に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の地中位置検知システム（配管は図示なし）の模式図である。
【図２】本発明の地中位置検知システムの座標系の説明図である。
【図３】本発明の配管を有する地中位置検知システムの模式図である。
【図４】本発明の地中位置検知システムの第１の情報伝送方式の模式図である。
【図５】本発明の地中位置検知システムの第２の情報伝送方式の配管の断面図である。
【図６】本発明の地中位置検知システムの第２の情報伝送方式の配管の接続継手の模式図である。
【図７】本発明の地中位置検知システムの第３の情報伝送方式の模式図である。
【図８】従来の水平ボーリング（ＨＤＤ）工法を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６８】
Ｌ1     掘削原点側の第１のリンク
Ｌ2     掘削原点から離れた側の第２のリンク
１    ピッチエンコーダ
２    ヨーエンコーダ
３    加速度センサ
Ｐ1     掘削原点側の第１の配管
Ｐ2     掘削原点から離れている側の第２の配管
１１    掘削機
１２    共通架台
１３    光学測量器
２１，３１    配管
２２    配管の外周面に形成される絶縁層
２３    配管のねじ部
３２    配管の内周面に形成される絶縁層
３３    絶縁層上に形成される導通層
３４    接続継手
４１    配管
４２    位置検知装置
４３    変調音波発生器
４４    発音体としてのスピーカー
４５    マイク
４６    変調音波
【図１】
0005031623.tif 000009
【図２】
0005031623.tif 000010
【図３】
0005031623.tif 000011
【図４】
0005031623.tif 000012
【図５】
0005031623.tif 000013
【図６】
0005031623.tif 000014
【図７】
0005031623.tif 000015
【図８】
0005031623.tif 000016