(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側部にスキンプレートを有し、前部にカッターフェースを具備する掘削機であって、
前記カッターフェースに発振部と受振部が設けられ、
掘削方向の前方切羽に突き出ることが可能な前記発振部が、
管と、
前記管内に圧着された発振器と、
を具備し、
前記発振器は、振動子と、圧着部とを有し、前記圧着部は前記発振部が突き出る方向とは垂直な方向であって、前記管の内壁に圧着され、前記振動子は、前記圧着部を前記内壁をこする方向に振動させることを特徴とする掘削機。
【請求項２】
側部にスキンプレートを有し、前部にカッターフェースを具備する掘削機であって、
前記カッターフェースに発振部が設けられ、
前記スキンプレートに受振部が設けられ、
掘削方向の前方切羽に突き出ることが可能な前記発振部が、
管と、
前記管内に圧着された発振器と、
を具備し、
前記発振器は、振動子と、圧着部とを有し、前記圧着部は前記発振部が突き出る方向とは垂直な方向であって、前記管の内壁に圧着され、前記振動子は、前記圧着部を前記内壁をこする方向に振動させることを特徴とする掘削機。
【請求項３】
請求項１記載の掘削機を用いて切羽の前方探査を行う方法であって、
トンネルの掘削方向前方の切羽に前記発振部および前記受振部を設置する工程と、
前記発振部を振動させ、Ｓ波を発生させる工程と、
前記受振部で、切羽前方の地層境界面から反射するＳ波を受振する工程と、
前記受振したＳ波を分析し、切羽前方の地山の地質構造を探査する工程と、
を具備することを特徴とする切羽の前方探査方法。
【請求項４】
請求項２記載の掘削機を用いて切羽の前方探査を行う方法であって、
トンネルの掘削方向前方の切羽に前記発振部、掘削方向側方の切羽に前記受振部を設置する工程と、
前記発振部を振動させ、Ｓ波を発生させる工程と、
前記受振部で、切羽前方の地層境界面から反射するＳ波を受振する工程と、
前記受振したＳ波を分析し、切羽前方の地山の地質構造を探査する工程と、
を具備することを特徴とする切羽の前方探査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドマシンなどを利用した軟弱地盤下での掘削における基礎地盤性状および前方の異なる地層や埋設物を把握する、切羽の前方探査方法などに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで、山岳トンネルに用いられてきた切羽の前方探査方法は、火薬、爆薬または杭打撃によりＰ波（Ｐｒｉｍａｒｙ  ｗａｖｅ、縦波、疎密波とも呼ばれる）を起振し、３成分地震計などを用いて受振を行う弾性波反射法探査（例えば、特許文献１参照）や、先進ボーリング用のロータリーパーカッションドリル・油圧削岩機などの削孔機の機械情報からデータを分析して地質状況を判断する削孔検層などの方法が用いられてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２４８１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、シールドマシンが適用されるような都市地盤は軟弱であり、かつ周囲への影響も大きいため、従来のような破壊を伴う前方探査は不可能である。また、都市地盤には地下水位が高い場所が多く存在するため、Ｐ波による探査を行っても、地下水中を伝わるＰ波速度より遅い速度を持つ地盤では、水中を伝播したＰ波が検出され、有効な地下構造調査が困難な場合があり、Ｐ波探査では妥当な反射波を得ることができないという問題点があった。
【０００５】
そのため、固体中のみを伝播し、地下水の影響を受けないＳ波（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｗａｖｅ、横波、ねじれ波、たわみ波、せん断波とも呼ばれる）を、破壊を伴わずに、地盤への影響の少ない方法で発振し、地盤の探査に用いることが検討されている。
【０００６】
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、地盤を破壊することなく、周囲への影響の少ない方法で、Ｓ波を発生し、トンネル切羽の前方探査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した目的を達成するために、第１の発明は、側部にスキンプレートを有し、前部にカッターフェースを具備する掘削機であって、前記カッターフェースに発振部と受振部が設けられ、掘削方向の前方切羽に突き出ることが可能な前記発振部が、管と、前記管内に圧着された発振器と、を具備し、前記発振器は、振動子と、圧着部とを有し、前記圧着部は前記発振部が突き出る方向とは垂直な方向であって、前記管の内壁に圧着され、前記振動子は、前記圧着部を前記内壁をこする方向に振動させることを特徴とする掘削機である。
【０００８】
第２の発明は、側部にスキンプレートを有し、前部にカッターフェースを具備する掘削機であって、前記カッターフェースに発振部が設けられ、前記スキンプレートに受振部が設けられ、掘削方向の前方切羽に突き出ることが可能な前記発振部が、管と、前記管内に圧着された発振器と、を具備し、前記発振器は、振動子と、圧着部とを有し、前記圧着部は前記発振部が突き出る方向とは垂直な方向であって、前記管の内壁に圧着され、前記振動子は、前記圧着部を前記内壁をこする方向に振動させることを特徴とする掘削機である。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明にかかる掘削機を用いて切羽の前方探査を行う方法であって、トンネルの掘削方向前方の切羽に前記発振部および前記受振部を設置する工程と、前記発振部を振動させ、Ｓ波を発生させる工程と、前記受振部で、切羽前方の地層境界面から反射するＳ波を受振する工程と、前記受振したＳ波を分析し、切羽前方の地山の地質構造を探査する工程と、を具備することを特徴とする切羽の前方探査方法である。
【００１０】
第４の発明は、第２の発明にかかる掘削機を用いて切羽の前方探査を行う方法であって、トンネルの掘削方向前方の切羽に前記発振部、掘削方向側方の切羽に前記受振部を設置する工程と、前記発振部を振動させ、Ｓ波を発生させる工程と、前記受振部で、切羽前方の地層境界面から反射するＳ波を受振する工程と、前記受振したＳ波を分析し、切羽前方の地山の地質構造を探査する工程と、を具備することを特徴とする切羽の前方探査方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、地盤を破壊することなく、周囲への影響の少ない方法で、Ｓ波を発生させる、トンネル切羽の前方探査方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）第１の実施形態に係るシールドマシン１の斜視図、（ｂ）第１の実施形態に係るカッターフェース７の正面図、（ｃ）シールドマシン１の右側面図、（ｄ）シールドマシン１を用いたトンネル切羽の前方探査の構成を示す図。
【図２】第１の実施の形態に係る発振部３の断面の概略図。
【図３】第１の実施の形態に係る発振器１３の概略図。
【図４】第１の実施の形態に係る振動子１５の断面の概略図。
【図５】第１の実施形態に係る発振部３の発振方法を示す図。
【図６】（ａ）第２の実施形態に係るシールドマシン１０１を示す図、（ｂ）シールドマシン１０１の正面図、（ｃ）シールドマシン１０１の右側面図。
【図７】（ａ）第３の実施形態に係るシールドマシン１０２の斜視図、（ｂ）シールドマシン１０２の正面図。
【図８】（ａ）第４の実施形態に係るシールドマシン１０３の斜視図、（ｂ）シールドマシン１０３の正面図、（ｃ）シールドマシン１０３の右側面図、（ｄ）シールドマシン１０３を用いたトンネル切羽の前方探査の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
第１の実施形態に係るシールドマシン１について説明する。
図１（ａ）はシールドマシン１の斜視図であり、図１（ｂ）はシールドマシン１の正面図であり、図１（ｃ）はシールドマシン１の右側面図であり、図１（ｄ）はシールドマシン１による前方探査の構成を示す図である。
【００１５】
図１（ａ）に示すように、シールドマシン１は、カッターフェース７とスキンプレート９からなり、カッターフェース７には、発振部３と受振部５が設けられている。
【００１６】
図１（ｂ）に示すように、発振部３と受振部５は、カッターフェース７上で十字になるように交互に配置されている。さまざまな方向からの反射波を受振できるようにするためである。
【００１７】
また、図１（ｃ）に示すように、シールドマシン１のトンネル掘削方向の前方切羽に、発振部３と受振部５とが突き出るように設けられている。また、前方切羽へ発振部３と受振部５の挿入が可能である。
【００１８】
シールドマシン１による前方探査方法について説明する。カッターフェース７により掘削を行い、トンネル１０を形成する。掘削時には、発振部３と受振部５は、シールドマシン１内に収納され、カッターフェース７上には露出していない。一定距離を掘削すると、シールドマシン１は、掘削を中断し、掘削したトンネル１０にセグメントを設置する。セグメント設置中に、カッターフェース７からトンネル切羽前方へ、後述する管２２などを形成し、図１（ｄ）に示すように、発振部３と受振部５を設ける。
【００１９】
ある一つの発振部３から、Ｓ波１１を発振し、破砕帯１２により反射した波を、複数の受振部５にて受振する。また、別の発振部３よりＳ波１１を発生し、反射波を複数の受振部５にて受振する。弾性波反射法では、速度層の境界を検知でき、破砕帯１２を始め、砂層、土丹、埋設物など、トンネル掘削に悪影響を及ぼすと考えられる地層や物を検出できる。
【００２０】
前方探査終了後には、発振部３と受振部５をシールドマシン１の内に収納し、次の掘削に備える。セグメントの設置と前方探査が終了した後、再びカッターフェース７により、トンネル１０の掘削を開始する。これらの掘削サイクルを繰り返しながら、トンネル１０を掘削する。
【００２１】
なお、前方探査により、前方にトンネル掘削に悪影響を与える地層や物を検出した場合、前方の地盤の改良や、カッターの交換などの対策を行うこともある。
【００２２】
次に、発振部３について説明する。発振部３の長軸方向の断面の概略図を図２に示す。発振部３は、カッターフェース７から貫入された管２２と、管２２内に圧着した発振器１３とからなる。
【００２３】
発振器１３の長軸方向の断面の概略図を図３に示す。図３に示すとおり、発振器１３は、振動子１５がロッド２１を介して、圧着部１７と接続している。圧着部１７には、管２２に圧着するための可動アーム１９を有する。
【００２４】
振動子１５は、ケーブル２５により、外部の電源（図示せず）などに接続されており、所定の周波数でロッド２１を往復運動させる。例えば、発振器１３は、１０Ｈｚから１０００Ｈｚまでまたは１００Ｈｚから３０００Ｈｚまでの周波数で、スイープ波形を発振する。
【００２５】
圧着部１７は、可動アーム１９を備え、油圧伝達ホース２３が外部の油圧発生装置（図示せず）が生じた圧力を伝達し、可動アーム１９を圧着部１７より突き出す。また、油圧発生装置の圧力を弱めると、可動アーム１９は圧着部１７に戻る。可動アーム１９は、圧着部１７より突出自在である。
【００２６】
図４は、振動子１５の断面の概略図である。超磁歪素子２７が、コイル２９の中におかれ、コイル２９の周りを永久磁石３１が覆っている。超磁歪素子２７はロッド２１に接続し、ロッド２１は、バネ３３により、振動子１５の長軸方向に力がかけられている。
【００２７】
超磁歪素子２７は、Ｔｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ２．０（テルビウム‐ディスプロジウム‐鉄）の化合物により形成される。コイル２９に電流を流し、磁界を生じることで、超磁歪素子２７は、長軸方向へ通常０．１％以上伸張する。コイル２９からの磁界がなくなると、元の長さに戻る。コイル２９にパルス状の電流を流すことで、超磁歪素子２７は伸縮する。超磁歪素子２７の伸縮により、ロッド２１が往復運動をする。
【００２８】
次に、発振器１３による発振方法を説明する。トンネル切羽前方にボーリングマシンなどで管２２を貫入する。図５（ａ）に示すように、管２２内に発振器１３を入れ、発振器１３を所定の位置まで移動させる。管２２は、樹脂製でも金属製でもよい。
【００２９】
次に、図５（ｂ）に示すように、油圧発生装置（図示せず）に圧力をかけ、圧着部１７の可動アーム１９を伸ばし、管２２内で発振器１３を固定する。
【００３０】
次に、図５（ｃ）に示すように、振動子１５を稼働させ、ロッド２１を往復運動させると、圧着部１７が管２２の壁をこすり、Ｓ波１１が発生する。
【００３１】
なお、発振器１３は、管２２内でＰ波も同時に発生可能である。圧着部１７が管２２の壁を擦るようにＳ波１１を発生させると、Ｓ波成分が卓越するが、押し当てる力も作用し、Ｐ波成分も発生するからである。
【００３２】
受振部５は、孔内圧着型の３成分型速度計や３成分型加速度計、いわゆるハイドロフォンなどを用いる。
【００３３】
第１の実施形態によれば、管内に圧着してＳ波を発生することが可能なので、従来困難であった、シールド切羽への発振器設置が可能になる。
【００３４】
また、第１の実施形態によれば、火薬などの爆発により地盤を破壊して弾性波を発生するのではなく、管２２内で発振器１３を振動させることによりＳ波を発生するため、周囲への影響が極力少ない方法で、前方探査をすることができる。
【００３５】
また、第１の実施形態によれば、Ｓ波を前方探査に用いることができ、地下水を多く含んだ地盤でも地下水の影響を受けずに前方探査をすることができる。また、Ｐ波よりも波長の短いＳ波を前方探査に用いることができ、解像度が高くなる。
【００３６】
また、第１の実施形態によれば、準備に手間がかからず、シールドマシン１を停止した際に、短時間で計測が可能である。そのため、トンネルの掘削サイクルへの影響がない。
【００３７】
次に、第２の実施形態について説明する。
図６（ａ）は第２の実施形態に係るシールドマシン１０１の斜視図であり、図６（ｂ）はシールドマシン１０１の正面図であり、図６（ｃ）はシールドマシン１０１の右側面図である。以下の実施形態で第１の実施形態にかかるシールドマシン１と同一の様態を果たす要素には同一の番号を付し、重複した説明は避ける。
【００３８】
図６（ａ）に示すように、シールドマシン１０１は、スキンプレート９とカッターフェース７を備え、カッターフェース７の前面に、発振部３と受振部５とが設けられる。
【００３９】
シールドマシン１０１とシールドマシン１を比べると、発振部３と受振部５の配置が異なる。図６（ｂ）に示すように、シールドマシン１０１においては、三つの発振部３で三角形を描き、三つの受振部５で三角形を描き、発振部３と受振部５で六角形を形成している。
【００４０】
第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
【００４１】
次に、第３の実施形態について説明する。
図７（ａ）は、第３の実施形態に係るシールドマシン１０２の斜視図であり、図７（ｂ）はシールドマシン１０２の正面図である。
【００４２】
図７（ａ）に示すとおり、シールドマシン１０２は、スキンプレート９とカッターフェース７を備え、カッターフェース７の前面に、発振部３と受振部５とが設けられる。
【００４３】
シールドマシン１０２とシールドマシン１を比べると、発振部３と受振部５の配置が異なる。図７（ｂ）に示すように、シールドマシン１０２においては、発振部３と受振部５を、交互に並べて円を描くように配置する。
【００４４】
第３の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
【００４５】
次に、第４の実施形態について説明する。
図８（ａ）は第４の実施形態に係るシールドマシン１０３の外観図であり、図８（ｂ）はシールドマシン１０３の正面図であり、図８（ｃ）はシールドマシン１０３の右側面図であり、図８（ｄ）シールドマシン１による前方探査の構成を示す図である。
【００４６】
図８（ａ）に示すように、シールドマシン１０３においては、トンネル進行方向前方のカッターフェース７上に発振部３を設け、トンネル進行方向側面のスキンプレート９に受振部５を設ける。図８（ｂ）に示すように、発振部３は、カッターフェース７上で分散して配置され、受振部５はそれぞれがなるべく離れるようにスキンプレート９に配置される。図８（ｃ）に示すように、発振部３はトンネル掘削方向に突き出ており、受振部５は、スキンプレート９よりトンネル掘削方向と垂直な方向に突き出ている。
【００４７】
また、シールドマシン１０３を用いたトンネル切羽の前方探査方法を説明する。図８（ｄ）に示すように、シールドマシン１０３の前方に突き出たある一つの発振部３により発振されたＳ波１１は地盤中を進み、破砕帯１２により反射され、受振部５にて受振される。次に、ほかの一つの発振部３が発振する。受振部５で受振した反射波を解析し、トンネル切羽の前方を探査する。
【００４８】
シールドマシン１０３は、受振部５の間の距離が離れているため、速度層の境界の探査精度が高まる。
【００４９】
第４の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を奏するほか、シールドマシン１よりも、正確に破砕帯１２の位置を決定できる。
【００５０】
以上、添付図面を参照しながら、本発明にかかる掘削機や前方探査方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５１】
特に、第１ないし第４の実施の形態のシールドマシンに変えて、トンネルボーリングマシンを用いることは、当然に本発明の技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００５２】
１………シールドマシン
３………発振部
５………受振部
７………カッターフェース
９………スキンプレート
１０………トンネル
１１………Ｓ波
１２………破砕帯
１３………発振器
１５………振動子
１７………圧着部
１９………可動アーム
２１………ロッド
２２………管
２３………油圧伝達ホース
２５………ケーブル
２７………超磁歪素子
２９………コイル
３１………永久磁石
３３………バネ
【図１】
0005498610.tif 000002
【図２】
0005498610.tif 000003
【図３】
0005498610.tif 000004
【図４】
0005498610.tif 000005
【図５】
0005498610.tif 000006
【図６】
0005498610.tif 000007
【図７】
0005498610.tif 000008
【図８】
0005498610.tif 000009