JP4182181B2

JP4182181B2 - 自動追尾式測量装置

Info

Publication number: JP4182181B2
Application number: JP25083997A
Authority: JP
Inventors: 尚輝上田; 隆司北岡; 延彦蛭子; 政芳田中; 哲郎佐藤
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1997-09-16
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2017-09-16
Also published as: JPH1194549A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動追尾式測量装置に関し、特に、シールド掘進機やトンネルボーリングマシンなどのトンネル掘進機に用いられる測量装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘進機やトンネルボーリングマシンを用いるトンネル工事においては、近時、高精度，高能率化が促進されており、このような要請に応えるためには、トンネル掘進機の位置，姿勢を正確に把握する必要がある。
【０００３】
そこで、従来は、このような要請に応えるために、図４に示すような自動追尾式測量装置を設置していた。同図に示した自動追尾式測量装置は、シールド掘進機１に適用した場合であって、自動追尾式の測量機器（トータルステーション）２は、シールド掘進機１の後方において、順次環状に組立設置されるセグメント３に設置されている。
【０００４】
シールド掘進機１には、測量機器２により視準されるプリズムないしは反射ターゲット４が配置されている。測量機器２の設置位置の機械座標値は、後方に設置されるダボと呼ばれる複数の座標原点から求められる。
【０００５】
シールド掘進機１の座標値は、測量機器２の機械座標値と、ターゲット４までの距離と角度とを測量機器２で視準して測定することによりリアルタイムで検出し、この座標値に基づいてシールド掘進機１の姿勢制御などが行われ、測量機器２の制御は、常にターゲット４を視準するように制御される。
【０００６】
しかしながら、このように構成された従来の自動追尾式測量装置には、以下に説明する技術的な課題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、図４に示した測量装置では、測量機器２とシールド掘進機１に設置したターゲット４との間には、実際の施工では、後方台車などの各種設備が存在し、測量機器２で視準可能な空間に制限があり、シールド掘進機１の位置を測定するのに適した個所にターゲット４を設置することが難しい。
【０００８】
また、測量機器２の有効視準距離は、直線距離で１００ｍ程度であり、この有効視準距離外になると、重量のある測量機器２の面倒な盛替え作業を行うことになる。
【０００９】
この場合、特に、急角度の曲線部の施工では、短時間に有効視準距離外となり、自動測量が不能になって、盛替え作業を頻繁に行う必要があって、より一層面倒な作業を伴う。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、測量機器での視準可能な空間の自由度が増し、しかも、盛替え作業が不要になる自動追尾式測量装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、トンネル掘進機の後方に位置する台車の前部側に搭載され、測点間の挟角の測定と測点までの距離の測定とが可能な自動視準型の測量機器と、前記トンネル掘進機で掘削された掘削面に順次環状に組立設置されるセグメントに個別に設置される複数のターゲットを備え、座標値が既知の３個の前記ターゲットから、前記測量機器の設置位置の機械原点を決定した後に、新たなターゲットを視準して、前記測量機器から当該ターゲットまで距離測定を行い、得られた測距値と座標値が既知の前記３個のターゲットとに基づいて、当該ターゲットの座標値を求め、前記トンネル掘進機の停止中に、前記新たなターゲットを含む３個のターゲット間の挟角を測定して、当該３個のターゲットの既知座標と測定された挟角とにより、前記測量機器の移動後の機械座標値を順次求める自動追尾式測量装置であって、前記ターゲット以外に、環状に組立設置された同一セグメントの端面内周の同一平面上に設置され、前記測量機器での距離の測定と視準方向および前記機械座標値とに基づいて、座標値が求められ、求められた座標値と前記セグメントの既知直径とにより、当該セグメントの中心を求めるための一対のターゲットを設けた。
このように構成した自動追尾式測量装置によれば、自動視準型の測量機器がトンネル掘進機の後方に位置する台車の前部側に搭載されているので、トンネル掘進機側の視準の自由度が増す。
また、測量機器は、３次元の機械座標値が、常時確保される座標値が既知の３ターゲットに基づいて順次求められ、この測量機器がトンネル掘進機の後方に位置する台車に搭載されているので、測量機器を盛替える必要がない。
また、本発明では、環状に組立設置された同一セグメントの端面内周の同一平面上に設置され、測量機器での測距と機械座標値とに基づいて、座標値が求められ、求められた座標値とセグメントの既知直径とにより、当該セグメントの中心を求めるための一対のターゲットを設けているので、特殊な計測機器を用いることなく、セグメントの中心点を求めることができる。
また、本発明では、前記トンネル掘進機本体の内周に設置され、前記測量機器での測距と前記トンネル掘進機の既知直径および長さとにより、前記トンネル掘進機の先端の座標値を求める一対のターゲットを設けることができる。
この構成によれば、ジャイロなどの測定器を用いることなくトンネル掘進機の現在位置と方位，方向とが求められる。
前記ターゲットは、前記セグメントに貼着する反射シートで構成することができる。
この構成によれば、安価な反射シートを使い捨てにすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１から図３は、本発明にかかる自動追尾式測量装置の一実施例を示している。
【００１３】
同図に示した測量装置は、本発明をシールド掘進機１０に適用した場合を例示しており、シールド掘進機１０は、中空円筒状の本体１０ａと、本体１０ａの前端に設けられたカッター１０ｂと、ジャイロ１０ｃとを備え、本体１０ａの内部には、図示省略の推進ジャッキ，カッター１０ｂの駆動装置やセグメント１２の組立て装置などが設置される。
【００１４】
シールド掘進機１０の後方には、掘進に伴って順次セグメント１２が環状に組立て設置される。また、シールド掘進機１０の後部側には、環状に組立てられたセグメント１２内を走行する後方台車１４が設置されている。
【００１５】
本実施例の場合には、後方台車１４は、シールド掘進機１０の掘進に伴って牽引移動され、その前端には、自動視準型の測量機器１６が設置されている。なお、この後方台車１４は、シールド掘進機１０で必ずしも牽引移動させる必要はなく、例えば、自走式のものであってもよい。
【００１６】
この測量機器１６は、いわゆるトータルステーションと呼ばれる測量機器であって、本実施例の場合には、ＣＣＤカメラ１６ａを有し、３次元方向に移動可能な雲台（図示省略）により支持されている。
【００１７】
測量機器１６は、坑外に設置される制御装置１８からの制御信号を受けて測点に設けられた反射ターゲットを画像処理により自動的に探査することができ、探索された反射ターゲットの方向を視準して、光波ないしはレーザー光線を反射ターゲットに向けて照射し、その反射波を受光することで、測点までの距離の測定と、測点間の挟角の測定を自動的に行うことができる。
【００１８】
一方、環状に組立て設置されたリングセグメント１２には、測量機器１６の視準可能な位置に複数のターゲット２０₀〜２０_n，２０_a，２０_bが設置されている。この実施例では、各反射ターゲット２０₀〜２０_nは、セグメント１２の内面側に貼着された反射シートから構成されている。
【００１９】
図１においてセグメント１２の後端に設置されたターゲット２０₀は、自動追尾の原点ターゲットとなるものであって、シールド掘進機１０の掘進が開始される際、もしくは、複数のリングのセグメント１２が設置された状態で、その三次元座標値（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）が正確に求められて、視準し易さを考慮して、セグメント１２の天井側にトンネル軸方向と直交するように配置される。
【００２０】
なお、この原点ターゲット２０₀は、必要に応じて盛替えることができる。また、各セグメント１２の側面に設置された第１〜第ｎターゲット２０₁〜２０_nは、シールド掘進機１０の掘進が進行し、これに伴って測量機器１６の位置が移動したときに、移動後の測量機器１６の設置位置の機械座標値（ｘ_0n，ｙ_0n，ｚ_0n）を求める際に使用するものであって、本実施例の場合には、１つのリングセグメント１２に対して１個設けられており、測量機器１６で視準できる任意の位置に貼付することができる。
【００２１】
さらに、リングセグメント１２の前端側に設けられた一対のターゲット２０_a，２０_bは、環状に組立て設置されたリングセグメント１２の中心位置Ｏを求めるためのものであって、リングゼグメント１２の内周端面にあって、トンネル軸方向と直交する概略同一平面上に設置されている。
【００２２】
また、シールド掘進機１０の本体１０ａに設けられた一対のターゲット２０_c，２０_dは、シールド掘進機１０の先端座標値（ｘ_M，ｙ_M，ｘ_M）を求めるためのものであって、測量機器１６で視準可能な位置に、トンネル軸方向と直交する概略同一平面上に配置されている。
【００２３】
次に、制御装置１８により測量機器１６を制御して、自動追尾する手順の一例について説明する。図２には、この制御手順の一例が示されており、手順がスタートすると、まず、ステップｓ１で初期設定が行われる。
【００２４】
この初期設定の内容は、原点および第１，２ターゲット２０₀，２０₁，２０₂の各座標値（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀），（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁），（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）および測量機器１６の設置位置の機械原点の座標値（ｘ₀₀，ｙ₀₀，ｚ₀₀），セグメント１２に設置された２つのターゲット２０_a，２０_b，シールド掘進機１０に設置された２つのターゲット２０_c，２０_dの座標値（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c），（ｘ_d，ｙ_d，ｚ_d）を入力する。
【００２５】
これらの各座標値は、予め求めておくものであるが、機械原点の座標値（ｘ₀₀，ｙ₀₀，ｚ₀₀）は、座標値が既知の３ターゲット（原点，第１，２ターゲット）２０₀，２０₁，２０₂を測量機器１６で視準することによって求めてもよい。
【００２６】
また、ターゲット２０_c，２０_d，２０_a，２０_bの座標値（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c），（ｘ_d，ｙ_d，ｚ_d）は、測量機器１６の視準方向の指標を予め定めて、視準の時間を短縮するために入力しているが、測量機器１６の画像処理により視準方向を決定できるので、必ずしも初期設定で入力する必要はない。
【００２７】
初期設定が終了すると、ステップｓ２で、初期設定で与えられた各ターゲット２０₀，２０₁，２０₂，２０_a，２０_b，２０_c，２０_dの視準方向を算出し、これを記憶させておくことで、以後の視準方向の指標としてターゲット２０₀，２０₁，２０₂，２０_a，２０_b，２０_c，２０_dの追尾を行う。
【００２８】
続くステップｓ３では、第３ターゲット２０₃の座標値（ｘ₃，ｙ₃，ｘ₃）を計算する。この場合の計算は、測量機器１６の設置位置から第３ターゲット２０₃を視準して距離を測距するとともに、座標値が既知の３ターゲット２０₀，２０₁，２０₂の座標値（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀），（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁），（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）と、機械原点の座標値（ｘ₀₀，ｙ₀₀，ｚ₀₀）とに基づいて行われる。
【００２９】
第３ターゲット２０₃の座標値（ｘ₃，ｙ₃，ｘ₃）が計算されると、次の測量の準備のために、測量機器１６は、原点ターゲッド２０₀の方向を向かせて、待機する。
【００３０】
そして、ステップｓ４で１リング分の掘削が終了し、シールド掘進機１０の掘進が停止されると、ステップｓ５，６，７で、原点ターゲット，第２，３ターゲット２０₀，２０₂，２０₃の順に計測が行われる。
【００３１】
この計測は、各ターゲット２０₀，２０₂，２０₃を視準して、測量機器１６からの距離と、ターゲット２０₀，２０₂，２０₃間の挟角が測定される。続くステップｓ８では、測定結果とターゲット２０₀，２０₂，２０₃の３既知座標値（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀），（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂），（ｘ₃，ｙ₃，ｚ₃）に基づいて、移動後の機械座標値（ｘ₀₁，ｙ₀₁，ｚ₀₁）が計算される。
【００３２】
座標値が既知の３点から未知点の座標を求める演算は、例えば、衛星を利用したＧＰＳシステムで移動体の位置を求めることで実用化されていて、未地点からの距離と挟角とを測定することで、未知点の３次元座標値を高精度に求めることができる。
【００３３】
ステップｓ８で求められた移動後の機械座標値（ｘ₀₁，ｙ₀₁，ｚ₀₁）が予測される範囲以上の誤差があったり、あるいは、何らかの原因により求めることができなかった場合には、ステップｓ５に戻り、同様な手順が繰返される。
【００３４】
そして、移動後の機械座標値（ｘ₀₁，ｙ₀₁，ｚ₀₁）が求められると、ステップｓ９に移行する。ステップｓ９では、セグメント１２に配置された一対のターゲット２０_a，２０_bの計測が行われ、移動後の機械座標値（ｘ₀₁，ｙ₀₁，ｚ₀₁）に基づいて、各ターゲット２０_a，２０_bの座標値（ｘ_a，ｙ_a，ｚ_a），（ｘ_b，ｙ_b，ｚ_b）が求められる。
【００３５】
続くステップｓ１０では、セグメント１２の中心Ｏの計算が行われる。この計算は、ステップｓ９で求めた座標値（ｘａ，ｙａ，ｚａ），（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）が、図３に示すように、リング状のセグメント１２の円周上の２点に相当する位置なので、座標値（ｘａ，ｙａ，ｚａ），（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）間の線分の長さを求めると、セグメント１２の直径が既知なので、各座標値が得られた２点からの距離が、セグメント１２の内周円の半径に一致する点を求めると、その点が中心Ｏとなる。この場合、掘進機１０内の傾斜計で求められるピッチング値からセグメント１２の中心Ｏの補正を行うことができる。
【００３６】
このようにしてセグメント１２の中心Ｏを求めることができると、従来行われていた、水準器付の測定棒をセグメント１２の内周面に、水平状態に掛け渡し、後方からトランシットで測量することにより中心Ｏを求める作業が不要になる。
【００３７】
セグメント１２の中心Ｏを求めると、その軌跡を順にプロットすることにより、構築したトンネルの中心線が判り、計画したトンネルと構築したトンネルとの一致ないしは不一致を判断することができる。
【００３８】
セグメント１２の中心Ｏの計算が終了すると、ステップｓ１１で、シールド掘進機１０の本体１０ａに配置されているターゲット２０_c，２０_dの計測が行われる。
【００３９】
そして、この測定によって得られた座標値（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ），（ｘ_ｄ，ｙ_ｄ，ｚ_ｄ）と、シールド掘進機本体１０ａの直径Ｄと長さＬ（何れも既知）とに基づいて、図３に示すように、掘進機１０の先端座標値（ｘ_Ｍ，ｙ_Ｍ，ｘ_Ｍ）を求め、シールド掘進機１０の掘進方向や姿勢制御の演算を行う（ステップｓ１２，１３）。
【００４０】
以上の処理手順が終了すると、ステップｓ３に戻り、第４ターゲット２０₄の座標値（ｘ₄，ｙ₄，ｘ₄）を計算し、ステップｓ５以降の手順が順次繰返される。
【００４１】
さて、以上のように構成された自動追尾式測量装置によれば、測量機器１６の設置位置の機械原点（ｘ₀₀，ｙ₀₀，ｚ₀₀）を決定した後に、シールド掘進機１０の停止中にターゲット２０₀〜２０_nを視準してその座標値を求めることで、常時、測量機器１６での視準可能な座標値が既知のターゲット２０₀〜２０_nを３以上確保し、確保された座標値が既知の３ターゲット２０₀〜２０_nに基づいて、移動後の測量機器１６の機械座標値（ｘ_0n，ｙ_0n，ｚ_0n）を順次求めるので、牽引移動される台車１４側に測量装置１６を搭載しても、その座標値を高精度に求めることができる。
【００４２】
また、自動視準型の測量機器１６がシールド掘進機１０に牽引ないしはその後方に位置する台車１４の前部側に搭載されているので、シールド掘進機１０側の視準の自由度が増し、視準に適した場所にターゲット２０_c，２０_dを設置することが可能になる。
【００４３】
さらに、測量機器１６がシールド掘進機１０に牽引ないしはその後方に位置する台車１４に搭載されているので、測量機器１６を盛替える必要がなく、重い測量機器１６の移動，再設置を全く行う必要がない。
【００４４】
また、本実施例の場合には、ターゲット２０_a，２０_bは、環状に組立設置された同一セグメント１２の端面内周に一対設置され、これらのターゲット２０_a，２０_bを測量機器１６で視準することにより、セグメント１２の中心点Ｏを求めるので、特殊な計測機器を用いることなく、セグメント１２の中心点Ｏを求めることができる。
【００４５】
さらに、本実施例の場合には、ターゲットターゲット２０_c，２０_dは、トンネル掘進機本体１０ａの内周に一対設置され、これらのターゲット２０_c，２０_dを測量機器１６で視準することにより、トンネル掘進機先端の座標値（ｘ_M，ｙ_M，ｘ_M）を求めることができるので、ジャイロなどの測定器を用いることなくトンネル掘進機１０の現在位置と方位，方向とが求められる。
【００４６】
また、本実施例の場合には、ターゲット２０₀〜２０_n，２０_a，２０_bは、セグメント１２に貼着する反射シートで構成しているので、安価な反射シートを使い捨てにすることができる。
【００４７】
なお、上記実施例では、測量機器１６の機械座標値を求める場合に、原点ターゲット２０₀を視準する場合を例示したが、本発明の実施は、これに限定されることはなく、例えば、セグメント１２の側面に設けられたターゲット２０₁〜２０_nにおいて、測量機器１６で視準可能な３点以上の既知座標値が確保されれば、必ずしも原点ターゲット２０₀を用いる必要はない。
【００４８】
また、本発明の実施は、シールド掘進機１０の自動追尾だけでなく、例えば、セグメントを使用するトンネルボーリングマシンの自動追尾にも適用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上、実施例で詳細に説明したように、本発明にかかる自動追尾式測量装置によれば、測量機器での視準可能な空間の自由度が増し、しかも、盛替え作業が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる自動追尾式測量装置の一実施例を示す全体構成説明図である。
【図２】図１の測量装置の制御手順の一例を示フローチャート図である。
【図３】図１の測量装置でシールド掘進機の先端位置座標を求める場合の説明図である。
【図４】従来の自動追尾式測量装置の一例を示す説明図である。

Claims

トンネル掘進機の後方に位置する台車の前部側に搭載され、測点間の挟角の測定と測点までの距離の測定とが可能な自動視準型の測量機器と、
前記トンネル掘進機で掘削された掘削面に順次環状に組立設置されるセグメントに個別に設置される複数のターゲットを備え、
座標値が既知の３個の前記ターゲットから、前記測量機器の設置位置の機械原点を決定した後に、新たなターゲットを視準して、前記測量機器から当該ターゲットまで距離測定を行い、得られた測距値と座標値が既知の前記３個のターゲットとに基づいて、当該ターゲットの座標値を求め、
前記トンネル掘進機の停止中に、前記新たなターゲットを含む３個のターゲット間の挟角を測定して、当該３個のターゲットの既知座標と測定された挟角とにより、前記測量機器の移動後の機械座標値を順次求める自動追尾式測量装置であって、
前記ターゲット以外に、環状に組立設置された同一セグメントの端面内周の同一平面上に設置され、前記測量機器での距離の測定と視準方向および前記機械座標値とに基づいて、座標値が求められ、求められた座標値と前記セグメントの既知直径とにより、当該セグメントの中心を求めるための一対のターゲットを設けたことを特徴とする自動追尾式測量装置。
前記トンネル掘進機本体の内周に設置され、前記測量機器での測距と前記トンネル掘進機の既知直径および長さとにより、前記トンネル掘進機の先端の座標値を求める一対のターゲットを設けたことを特徴とする請求項１記載の自動追尾式測量装置。
前記ターゲットは、前記セグメントに貼着する反射シートからなることを特徴とする請求項１または２記載の自動追尾式測量装置。