(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転するカッターヘッドに取り付けられた刃体によって地盤を掘削するシールド機械に用いる地盤判定装置において、刃体に発生する切削振動を振動センサーで検出して切削振動の周波数分布を測定する振動測定手段と、前記刃体の状態を刃体状態センサーで検出して刃体の磨耗量を測定する磨耗量測定手段と、予め作成した掘削刃体の磨耗量に応じて地盤の種類と切削振動の周波数分布との関係を表した参照テーブルと、切削振動の周波数分布と刃体の磨耗量とに基づいて参照テーブルを参照して地盤の種類を判定する判定手段とを備えたことを特徴とする地盤判定装置。
【請求項２】
刃体に、振動センサーと刃体状態センサーとを内蔵したことを特徴とする請求項１に記載の地盤判定装置。
【請求項３】
回転するカッターヘッドに取り付けられた刃体によって地盤を掘削するシールド機械に用いる地盤判定装置において、刃体に発生する切削振動を振動センサーで検出して切削振動の周波数分布と振幅とを測定する振動測定手段と、前記刃体の状態を刃体状態センサーで検出して刃体の磨耗量を測定する磨耗量測定手段と、予め作成した掘削刃体の磨耗量に応じて地盤の種類と切削振動の周波数分布と振幅との関係を表した参照テーブルと、切削振動の周波数分布と振幅と刃体の磨耗量とに基づいて参照テーブルを参照して地盤の種類を判定する判定手段とを備えたことを特徴とする地盤判定装置。
【請求項４】
請求項１または３のいずれか一方の地盤判定装置に、
回転するカッターヘッドの回転角信号を出力する回転角計測手段と、
判定手段にて判定される地盤の種類をカッターヘッドの回転角毎に取り込んで刃体の１回転分の軌跡上における地盤の種類の分布を出力する分布測定手段とを付加したことを特徴とする地盤判定装置。
【請求項５】
カッターヘッドの軸を中心とした半径の異なる位置に配置された複数の刃体の切削振動を測定する振動測定手段及び刃体の磨耗量を測定する磨耗量測定手段とを備え、
分布測定手段から、切羽断面における地盤の種類の分布を出力するように構成したことを特徴とする請求項４に記載の地盤判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シールド工法において、切羽前方の地盤状態を調査・判定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シールド工法において切羽を安定させながら掘削するには、切羽前方の地盤状態を知って、機械を最適な運転状態になるように管理しながら施工しなければならない。
特に、磨耗したビットの交換作業を安全に行うためには、切羽の地山が安定した地盤のときに、シールド機械を止めて、ビット交換の作業をすることが必要となる。
【０００３】
このように、切羽前方の地盤の把握は重要であるが、カッターヘッドの前方の地盤は直接目視することができないために、切羽の地盤状態を知ることができない。そのため、掘削された土砂を観察するか、泥水シールドの場合には泥水と共に排出された土塊や沈殿物を観察し、或いはトンネル施工前の地上からのボーリング調査結果を検討することにより地盤状態を推定・ 判断することが行われていた。
【０００４】
そのような間接的な観察方法に代えて、より直接的な観察方法として、切羽におけるビットと地盤との摩擦音の音圧・ 周波数分析によって、切羽前方の地盤状態を判定する技術が、実公昭62-22839号において開示されている。
または、ビットやカッターヘッドに取り付けられた検出棒が切羽地山と接触する時の音あるいは振動を測定して、その大きさや周波数特性から切羽の地盤状態を判断する方法も提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した実公昭62-22839号の技術では、ビットの磨耗が進んだ場合には、同じ地盤であっても音圧や周波数分布の特性が変化してしまうので、ビットの磨耗が進むにつれて信頼性の高い判定は困難になるという問題があった。
また、検出棒を用いる方法でも、検出棒が磨耗すると上記同様な問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、ビットの磨耗の程度にかかわらず高い信頼性で地盤の判定が可能な装置を提供することを目的としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１では、回転するカッターヘッドに取り付けられた刃体によって地盤を掘削するシールド機械に用いる地盤判定装置において、刃体に発生する切削振動を振動センサーで検出して切削振動の周波数分布を測定する振動測定手段と、前記刃体の状態を刃体状態センサーで検出して刃体の磨耗量を測定する磨耗量測定手段と、予め作成した掘削刃体の磨耗量に応じて地盤の種類と切削振動の周波数分布との関係を表した参照テーブルと、切削振動の周波数分布と刃体の磨耗量とに基づいて参照テーブルを参照して地盤の種類を判定する判定手段とを備えるという手段を講じた。
【０００８】
また、請求項２では、刃体に、振動センサーと刃体状態センサーとを内蔵した。
【０００９】
また、請求項３では、回転するカッターヘッドに取り付けられた刃体によって地盤を掘削するシールド機械に用いる地盤判定装置において、刃体に発生する切削振動を振動センサーで検出して切削振動の周波数分布と振幅とを測定する振動測定手段と、前記刃体の状態を刃体状態センサーで検出して刃体の磨耗量を測定する磨耗量測定手段と、予め作成した掘削刃体の磨耗量に応じて地盤の種類と切削振動の周波数分布と振幅との関係を表した参照テーブルと、切削振動の周波数分布と振幅と刃体の磨耗量とに基づいて参照テーブルを参照して地盤の種類を判定する判定手段とを備えるという手段を講じた。
【００１０】
また、請求項４では、回転するカッターヘッドの回転角信号を出力する回転角計測手段と、判定手段にて判定される地盤の種類をカッターヘッドの回転角毎に取り込んで刃体の１回転分の軌跡上における地盤の種類の分布を出力する分布測定手段とを付加するという手段を講じた。
請求５では、さらに、カッターヘッドの軸を中心とした半径の異なる位置に配置された複数の刃体の切削振動を測定する振動測定手段及び刃体の磨耗量を測定する磨耗量測定手段とを備え、分布測定手段から、切羽断面における地盤の種類の分布を出力するように構成した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる地盤判定装置を、その実施の形態を示した図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図１、図２において、１は回転するカッターヘッド、２はカッターヘッド１の軸、３は隔壁、４はギア41を介してカッターヘッド１を回転させる駆動モータである。11、12・・・はカッターヘッド１に取り付けられた掘削用のビットであり、回転軌跡が同心円を描くように、軸２からそれぞれ異なる距離に取り付けられている。
【００１３】
詳細を示した図４において、５はビット11に取り付けられた加速度計や圧電素子等を用いた振動センサーである。６は刃体状態センサーとしての超音波センサーでありビット11に取り付けられている。振動センサー５と超音波センサー６の信号ケーブルは軸２を貫通して、スリップリング７を介して取り出されて分析装置８に入力される。
【００１４】
分析装置８は、図３のＡに示したように、振動信号増幅部81、振動信号分析部82、超音波発振部83、超音波受信部84、磨耗分析部85、および地盤判別部86を備えている。
なお、振動信号増幅部81及び振動信号分析部82は特許請求の範囲の振動測定手段に対応し、超音波発振部83、超音波受信部84、及び磨耗分析部85は磨耗量測定手段に対応し、地盤判別部86は判定手段にそれぞれ対応している。
【００１５】
振動センサー５からの信号は、振動信号増幅部81において増幅され、振動信号分析部82において予め設定された所定の周波数成分が抽出されて、その振幅が測定される。振動信号分析部82に予め設定された周波数成分は、ビットと地山との間の摩擦によって発生する周波数に設定されたものであり、カッターヘッドを回転させながら、地山を押圧しない状態での振動と押圧した状態での振動とを比較することによって決定されたある程度の帯域巾を持った周波数である。
【００１６】
なお、発生する振動の周波数は切羽前方の地山の地盤の種類によって特徴があるので、振動信号分析部82には、図３のＢに示したように、複数種類の地盤G1,G2,G3,・・・,Gn に対応する周波数f1,f2,f3,・・・,fn が設定され、これらの周波数を選択的に通過させるフィルターF1,F2,F3,・・・Fnが設けられている。
【００１７】
超音波発振部83では、所定の超音波領域の駆動信号を断続的に発生させて、その駆動信号によって超音波センサー６を駆動して所定の超音波を発生させてビット先端に向けて超音波振動を発振する。断続的な超音波振動の発振の合間に超音波受信部84が受信状態になり、ビット先端で反射された超音波は超音波センサー６において感知されて超音波受信部84にて受信され、磨耗分析部85においては、発振されたタイミングから受信されたタイミングの遅れ時間を計測する等の手段によって、ビットの先端までの距離の変化、即ちビットの磨耗を測定して磨耗量信号を出力する。
【００１８】
但し、この磨耗量の測定はカッターヘッド１の１回転に１回程の頻度で十分である。
【００１９】
地盤判別部86では、各フィルターF1,F2,F3,・・・Fnから出力される各周波数成分の振幅を計測して、各周波数成分の振幅の分布に基づいて地盤判定テーブル（参照テーブル）87を参照して、切羽前方の地盤を判定する。
例えば、周波数f1の振幅が卓越していれば、図３のＣに示した地盤判定テーブル87を参照して、地盤G1と判定され、周波数f2の振幅が卓越していれば地盤G2と判定されるのである。
【００２０】
このように、周波数分布によって地盤を判定できるが、ビットが磨耗すると、地山との摩擦によって発生する振動の振幅と周波数が変移する。
そこで、地盤判定テーブルを、磨耗分析部85から出力される磨耗量信号に基づいて補正しながら、若しくは切替えしながら参照することによって、ビットが磨耗しても、正確な地盤の判定が可能となるのである。
【００２１】
ビットの磨耗が地盤の判定に与える影響について、以下に補足説明する。
まず、基本的には、地山の強度が大きい場合は、ビットを押圧する力を強くしなければ、強度の小さい地山と同様の掘削ができない。従って、地山強度の大きい場合はビットの押圧力を強くするので、必然的にビットに発生する振動の振幅は大きくなる。よって、図５に示したように、ビットで発生する振動の振幅の大小によって地山の強度の大小を判断できる。
【００２２】
また、ビットが磨耗することによってビットの先端が鈍くなり、押圧力が同じ大きさのままでは地山への食い込み量が小さくなって掘削速度が低下するが、通常は掘削速度の低下を防ぐために押圧力を大きくするので、ビットと地山との摩擦力が大きくなり、図６のように、発生する振動の振幅も大きくなる。ビットの磨耗と地山の強度と振幅の関係を図示すると、図７のような相互関係が見られる。
【００２３】
また、ビットが磨耗すると地山との接触面積が増加するため、見かけ上の粒子の粒径が異なり、図８のように、発生する振動の周波数も変移するのである。
【００２４】
図９は、磨耗による振幅と周波数への影響を補正した地盤判定テーブルの一例である。
図９において、Ｘ軸では周波数、Ｙ軸では磨耗量、Ｚ軸では振幅をそれぞれ表し、平面Ｐ１は磨耗量が小の場合の判定テーブル、平面Ｐ２は磨耗量が中の場合の判定テーブル、平面Ｐ３は磨耗量が大の場合の判定テーブルをそれぞれ示している。図９の変換テーブルは、磨耗量に応じて変換テーブルを切替え若しくは補正することによって、参照する平面を切替えるようにしたものである。
【００２５】
各平面の領域Ａ１は地盤が粘土質、領域Ａ２は地盤がシルト質、領域Ａ３は地盤が砂質、領域Ａ４は地盤が礫質をそれぞれ示している。
例えば、磨耗分析部85から出力される磨耗量信号が「小」の場合に、卓越周波数がf3で、振幅が大きいレベルの場合は、平面Ｐ１において領域Ａ３に属するので、地盤は硬い砂質であると判定できる。
【００２６】
また、磨耗量信号が「大」の場合に、卓越周波数がf4で、振幅が中程度のレベルの場合は、平面Ｐ３において領域Ａ４に属するので、地盤は中程度の硬さの礫質であると判定できる。
このように、ビットの磨耗による振幅と周波数の影響を勘案して地盤判定するので、高い信頼性で地盤を判定することが可能となるのである。
【００２７】
図４においては、一つのビットに振動センサー51と超音波センサー61の両方のセンサーを設けた場合のビット部分の側面断面図を示した。
【００２８】
次に、図１０に示したように、切羽の断面に種類の異なる地盤が存在している場合に、それらの地盤の分布状況をも把握することのできる地盤判定装置の実施の形態を、図１１に基づいて説明する。
図１１において、振動センサー５、超音波センサー６、振動信号増幅部81、振動信号分析部82、超音波発振部83、超音波受信部84、磨耗分析部85、および地盤判別部86は、図３と同様の回路構成であるため、詳細な説明は省略する。
【００２９】
９は回転角測定部であり、カッターヘッド１の軸２の取り付けられたローターリーエンコーダ等の回転計91と、回転計91の出力信号に基づいて、例えば鉛直方向を基準としてカッターヘッド１の１回転を例えば３６０等分した回転角信号を出力する変換回路92とを備えている。
10は地盤分布分析部であり、回転角測定部９からの回転角信号に基づいて、振動センサー５が備えられたビット11が10度回転する毎に、その位置における地盤の状態を分析部８からの地盤判定結果を取り込んで、ＣＲＴ画面等の出力手段に出力する。例えば、シルト質は×印、砂質は△印、礫質は○印等を出力する。
【００３０】
よって、振動センサー５が備えられたビット11が360 度回転すると、図１２のＡのように、切羽の断面の地盤の分布が円周上の分布として把握できる。
さらに、各ビットに振動センサーと超音波センサーとを設けるとともに、それぞれの振動センサーと超音波センサーの信号を処理する振動信号増幅部、振動信号分析部、超音波発振部、超音波受信部、磨耗分析部、および地盤判別部を備えることによって、図１２のＢのように、同心円の各円周上の分布が出力されるので、図１０に示された切羽の断面の地盤分布を、ほぼ面状の地盤分布として把握することができるのである。
【００３１】
なお、振動センサーはビットに直接内蔵しなくても、近傍に配置してもよい。また、刃体センサーは超音波センサーに代えて高周波や放射線等の他の手段を用いたものであってもよく、ビットの磨耗を検出できるものであれば構わない。また、振動信号分析部は、複数のフィルター群に代えて、ＤＳＰ（デジタル信号処理）技術、ＦＦＴ処理技術、もしくはトラッキングフィルター等の他の手段を用いてもよい。  さらに、参照テーブルは磨耗量信号に応じた関数として表現されたものや、更に細分化したテーブルでもよく、スリップリングに代えて、回転トランスや光通信等の伝達方法を用いることも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の請求項１によれば、予め作成した掘削刃体の磨耗量に応じて地盤の種類と切削振動の周波数分布との関係を表した参照テーブルを参照して地盤の種類を判定するので、磨耗の大小の如何によらず、正確な地盤の種類の判定が可能となる。
【００３３】
そして、請求項２によれば、刃体に、振動センサーと刃体状態センサーとを内蔵したので、刃体の振動と磨耗とをより正確に測定することができる。
【００３４】
そして、請求項３によれば、切削振動の周波数分布だけでなく、切削振動の振幅をも勘案して地盤の種類を判定するので、より正確な判定が可能となる。
そして、請求項４によれば、回転するカッターヘッドの回転角信号を出力する回転角計測手段を設けたので、刃体の１回転分の軌跡上における地盤の種類の分布を得ることができる。
【００３５】
そして、請求項５によれば、複数の刃体の切削振動を測定する振動測定手段及び刃体の磨耗量量を測定する磨耗量測定手段とを備えたので、切羽断面における地盤の種類の分布を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる請求項１，３の地盤判定装置の実施の形態の側面構成図である。
【図２】同地盤判定装置の正面構成図である。
【図３】同地盤判定装置のブロック図である。
【図４】請求項２の刃体の実施の形態を示す断面図である。
【図５】地山の強度と振動の振幅の関係を示す図である。
【図６】刃体の磨耗量と振動の振幅の関係を示す図である。
【図７】地山の強度と刃体と振幅の関係を示す図である。
【図８】磨耗による振動の周波数の変移を示す図である。
【図９】請求項１，３の地盤判定テーブルを示す図である。
【図１０】地盤の分布の状態の一例を示す図である。
【図１１】請求項４，５の地盤判定装置のブロック図である。
【図１２】同地盤判定装置によって得られた分布を示す図である。
【符号の説明】
１  カッターヘッド
11，12・・・    ビット（刃体）
５  振動センサー
６  超音波センサー（刃体センサー）
８  分析装置
81  振動信号増幅部（振動測定手段）
82  振動信号分析部（振動測定手段）
83  超音波発振部（磨耗量測定手段）
84  超音波受信部（磨耗量測定手段）
85  磨耗分析部（磨耗量測定手段）
86  地盤判別部（判定手段）
【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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【図６】
0003675576.tif 000007
【図７】
0003675576.tif 000008
【図８】
0003675576.tif 000009
【図９】
0003675576.tif 000010
【図１０】
0003675576.tif 000011
【図１１】
0003675576.tif 000012
【図１２】
0003675576.tif 000013