非開削工法用掘削ビット位置計測システムの開発
Development of Measurement System for Drilling Bit Position of Non-open Cut Method
株式会社ワイビーエム
財部 繁久*
九州大学大学院工学研究院
水永秀樹**・田中俊昭***

YBM Co., Ltd.
S. Takarabe*
Faculty of Engineering, Kyushu University
H. Mizunaga** and T. Tanaka***

要旨
非開削推進工法において掘削ビットの位置を精度よく把握することは重要であるが、従来から用いられているセンサで計測したデータを電磁波で伝送するシステムでは、掘削深度が深くなると電磁波の減衰が大きくなりデータの受信が困難になる。また、建物や河川などの障害物があると受信部を電磁波発生源の真上に設置することができないため、正確なデータの受信が難しくなる問題がある。このような問題点を解決するため、掘削ビット先端で計測したデータを弾性波に変調して掘削用のロッドを伝送媒体として地上に送り、先端の計測データと掘削長から先端ビットの進行方向、回転角度、位置を計算して３次元表示するシステムを開発した。その結果、掘削深度に関係なく建物や河川などの障害物があるところでも掘削ビットの位置計測を可能とした。

Abstract
It is very important for non-open cut method to determine drilling position. However, an existing method to transmit
measured data by electromagnetic wave has difficulty in receiving the measured data due to the electromagnetic wave
attenuation at deeper depth. In addition, the existing method has a problem with measurement on obstacle such as building
and river because of the inability to set the receiver above the generation source of electromagnetic wave. A new method totransmit measured data using elastic wave through rods was developed to solve these problems. Furthermore, three
dimensional display system was developed to grasp the direction of movement, angle of rotation and position of the rod which
are calculated by the measured data and length of rod. As the result, the new method and system enable as to determine
drilling bit position at any depth in spite of obstacle such as building and river.

1.

はじめに

2.

掘削ビット位置計測の概要

従来の非開削工法での掘削ビット位置を計測する

地中での位置計測では、地上で広く利用されてい方法としては、地中の掘削ビットから発信された電る GPS が利用できないため、掘削ビットの先端に設磁波を地上の受信機で受信したデータを基に掘削ビ置された傾斜計などのデータを電磁波で送信し、地ット位置を求める方法が一般的である。しかし、こ上で受信した電磁波の強度から掘削ビットの先端のの方法では地上に建物や障害物があると受信機を地位置と深度から傾斜角と回転角を求める方法が一般上に設置できないため、ビットの位置を計測するこ的に利用されている。その他にはジャイロをロッドとができないという問題があった。(図 1)に挿入して掘削した軌跡を求める方法があるが、計測の度にジャイロを先端まで挿入する必要があり、掘削距離の長さに比例してジャイロによる計測時間が増加し、施行に時間を要するようになる。また、ジャイロでは、掘削軌跡を求めることはできるが掘削ビットの方向修正を確実に行うために必要な掘削ビットの回転角度の計測ができない。今回の位置計
測システムは加速度と磁気センサを内蔵したMEMS
６軸センサを使用して掘削ビット先端の回転角、傾斜角、方位角を計測し、ボーリングロッドを伝送媒体としてデータを弾性波で送信することで掘削ビッ

地面の直下

水底下

建物直下

ト先端の位置を求める。

図 1 従来の計測方法

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この問題を解決するため、本研究グループでは「非開削工法用高精度掘削システムの開発」を行ってきた。今回開発した新しい計測システムでは掘削ビッ計測・送信

弾性波
受信

トに内蔵したセンサ(MEMS センサ)によりビットの回ﾎﾞｰﾘﾝｸﾞﾛｯﾄﾞ転角、傾斜角、方位角を計測する。計測されたデー
タはボーリングロッドを伝送媒体として弾性波を利用して地上に伝送される。地上では掘削長と先端の角度データから掘削の軌跡を計算し、PC モニターに3 次元表示する。
本計測方式では、データの伝送にケーブル等の配線を必要とせずボーリングロッドそのものを伝送媒体として使うため、従来のロッドをそのまま使用できるので、建物などの障害物の下や深度が深くなっても計測可能なシステムとなっている。(図 2)

地面の直下

水底下

図 2 新システムでの計測方法

建物直下

3.

角度の計測

掘削ビットの角度は、掘削ビット内に装着した基5.

計測データの伝送

5.1 計測データの送信板上にある 6 軸センサ（加速度 3 軸、地磁気 3 軸）

計測したデータの伝送は一般的には無線または有の計測データから計算して求める。回転角と傾斜角線を用いることが多いが、本システムではデータ伝は加速度センサのデータから求められ、方位角は 3送に弾性波を用いた。有線ではロッド接続時のケー軸磁気センサと 3 軸加速度センサから求められる。

ブルの処理が難しく、ロッド内にケーブルを内蔵するために特殊な構造となりコストが上昇する。本計

4.

掘削ビット先端位置の計算

測システムでは先端の掘削ビットにセンサ、弾性波発生装置、バッテリが搭載されており送信素子でロ先端の 3 次元位置は、掘削ビット先端のセンサでッドが接続されている先端ビットを直接振動させて計測したデータを用いて計算した傾斜角（φn）及び弾性波を発生させる。発生した弾性波は表面波とし方位角(θn)と、掘削で進んだ距離(Ln)から以下の手てロッドの表面を伝わっていく。表面波はロッドが順で計算できる(図 3)。まず、掘削開始点で計測し強く拘束されない状態では振動の減衰が少なく、今た角度(θ１、φ１)と掘削距離(L１)から、次の掘削回使用した送信素子では 100ｍ程度のデータ伝送が地点の 3 次元位置を計算する。この際、掘削の軌跡可能となった。さらに送信素子を強力なものに変えは直線で近似する。さらに L2 だけ掘進した位置の座ることで 200ｍ程度のデータ伝送が可能なことを確

標は、角度（θ2､φ2）と掘削距離(L2)を用いたベク認している。

トルを一つ前の掘削地点に足し合わせることで計算する。ただし、角度を計測する２点間の距離はロッドの最少曲げ半径に対して十分に短い必要がある。

5.2 計測データの受信
図 4 に、計測から 3 次元表示までの処理の流れを示す。弾性波によって送信された計測データは、受信素子で受信され、信号の復調が可能なレベルまで増幅した後に受信処理ユニットで AD 変換される。
さらに、AD 変換された計測データは PC に送られた後に 3 次元位置を計算するために使用され、PC画面上で 3 次元表示される。

図 3 3 次元位置計測の概念図
図 4 計測システムブロック図

6.

3 次元位置表示システム

7.

おわりに受信機から送られてくるデータは PC で計算処理

今回開発した位置計測システムは、地表に障害物され、位置データを 3 次元生成して後に PC 画面に表があり、従来の電磁波による掘削位置検出が困難な示される(図 5)。また、PC 画面にはＸＹ，ＹＺ，Ｚ場合や深度が深い水平掘削の場合にも利用できる。

Ｘの 2 次元平面の表示が選択できるようにした(図 6，

また、ジャイロでは計測が難しい方向修正のための図 7)。

回転角も、掘削ビット先端のセンサで直接計測するので、掘削時に想定されるボーリングロッドのねじれの影響を受けずに回転角を正確に計測することができる。今回開発した計測システムでは、このように 1 つの計測ユニットで掘削ビットの 3 次元位置計測ができるので、非開削工法に欠かせない掘削ビット位置の情報をリアルタイムで把握可能となった。

謝辞

図 5 3D 表示画面の一例

本システムの開発の一部は経済産業省の平成22 年
度戦略的基盤技術高度化支援事業を利用して行われた。ここに記して謝意を表します。

図 6 2D 表示画面の一例(XY 平面)

図 7 2D 表示画面の一例(ZX 平面)