(57)【要約】【課題】カッターヘッドの回転速度、シールド掘進機の掘進速度の違い等を反映させて、より精度良く、切羽面の地盤の土質を判定できるシールド掘進機における切羽地盤の判定方法を提供する。【解決手段】施工現場に立坑３０を構築する際に採取した掘削残土等を用いて、複数の模擬土層４０を形成し、形成した各々の模擬土層４０にカッタービット１６を埋入して移動させた際の振動データを、加速度センサー１４によって採取し、採取した振動データを、各々の模擬土層４０に対応する切削振動データとしてコンピュータ２０に予め記憶しておく。施工現場でシールド掘進機１１のカッターヘッド１３により地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃを切削する際に、加速度センサー１４によって得られた振動データを、予め記憶された各々の模擬土層４０の切削振動データと照らし合わせることで、切削している切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質を判定する。【選択図】図２
2019027121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カッターヘッドに取り付けられた加速度センサーと、該加速度センサーと接続されたコンピュータとを含む、切羽土質分布の判別システムを備えるシールド掘進機における切羽地盤の判定方法であって、
施工現場に立坑を構築する際に採取した掘削残土、又は施工現場の周辺の掘削現場から採取した掘削残土を用いて、複数の模擬土層を形成し、形成した各々の模擬土層にカッタービットを埋入して移動させた際の振動データを、加速度センサーによって採取し、採取した振動データを、各々の模擬土層に対応する切削振動データとしてコンピュータに予め記憶しておき、
施工現場でシールド掘進機のカッターヘッドにより地盤を切削する際に、加速度センサーによって得られた振動データを、予め記憶された各々の模擬土層の切削振動データと照らし合わせることで、切削している切羽地盤の土質を判定するシールド掘進機における切羽地盤の判定方法。
【請求項２】
前記模擬土層に埋入したカッタービットを、横方向及び深さ方向に移動させながら前記加速度センサーによって振動データを採取する請求項１記載のシールド掘進機における切羽地盤の判定方法。
【請求項３】
前記模擬土層に埋入したカッタービットを移動させながら、前記加速度センサーによって１秒間に１０〜２０００点の振動データを採取する請求項１又は２記載のシールド掘進機における切羽地盤の判定方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載のシールド掘進機における切羽地盤の判定方法において、各々の模擬土層に対応する切削振動データを採取する際に用いるビット振動試験装置であって、
前記模擬土層を締め固めた状態で収容する、上面が開口面となっている土層収容槽と、前記カッタービットを着脱交換可能に支持固定すると共に、加速度センサーが取り付けられているビット固定冶具と、該ビット固定冶具を前記土層収容槽の内側で開口面に沿った横方向に往復移動させる横方向移動装置と、該ビット固定冶具を前記土層収容槽の内側で深さ方向に移動させる深さ方向移動装置とを含んで構成されており、
前記土層収容槽に収容された前記模擬土層に前記カッタービットを埋入して、開口面に沿った横方向及び深さ方向に移動させながら、前記加速度センサーによって振動データを採取するビット振動試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールド掘進機における切羽地盤の判定方法及びビット振動試験装置に関し、特にカッターヘッドに加速度センサーが取り付けられたシールド掘進機における切羽地盤の判定方法、及び該判定方法に用いるビット振動試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば都市部においては、立坑用地の問題や地下埋設物との輻輳を理由として、シールドトンネルを長距離化して構築することが望まれている。シールドトンネルを長距離化して構築する場合、シールド掘進機による掘進に伴って、切羽面の地盤の土質が変化することが多く、また積層した異なる土質の地盤の境界部分を掘進してゆく際には、切削される同じ切羽面に、異なる土質の地盤が同時に現れる場合がある。また、泥土圧式や泥水式に代表される密閉型のシールド掘進機においては、切羽面の地盤を直接確認できないため、掘削残土の性状、カッターヘッドのカッタートルク、シールド掘進機の掘進速度等から、地盤を推定して掘進を行っている。このため、切羽面に地層境界が出現しやすい大断面のシールドトンネルや、地盤の変化が複雑なシールドトンネルのシールド工事では、地盤の状況にマッチするように、シールド掘進機の掘進を管理することが難しくなっている。
【０００３】
これに対して、本件出願の発明者等は、カッターヘッドに設けられたカッタービットの近傍に加速度センサーを取り付け、切羽面の地盤を切削する際に発生する応答加速度（振動データ）を、カッターヘッドを回転させながら加速度センサーによって計測して、切羽面の地盤の状況を判定できるようにした切羽土質分布の判別システムや、判定方法を提案している（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１９８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１や特許文献２に記載の判別システムや判定方法によれば、切羽面における掘削対象の地盤の土質を判定しながらシールド掘進機を掘進することが可能になると共に、判定された地盤の土質の履歴から、切羽面よりも前方の地盤の土質を予測することも可能になるが、その一方で、地盤の土質は、例えばシールド掘進機による掘進前に、施工現場において予め実施されたボーリングなどによる地盤調査の結果と、切羽面を切削する際に加速度センサーによって計測された応答加速度の変化とを照らし合わせることにより判断しているのが実情であり、シールド掘進機の掘進時における、カッターヘッドの回転速度、シールド掘進機の掘進速度、カッタービットの違い等のパラメータを反映させて判定したものではないため、これらのパラメータを反映させて、より精度良く、切羽面の地盤の土質を判定できるようにする技術の開発が望まれている。
【０００６】
本発明は、シールド掘進機の掘進時における、カッターヘッドの回転速度、シールド掘進機の掘進速度、カッタービットの違い等をパラメータとして反映させて、より精度良く、切羽面の地盤の土質を判定することのできるシールド掘進機における切羽地盤の判定方法、及び該判定方法に用いるビット振動試験装置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】
【０００７】
本発明は、カッターヘッドに取り付けられた加速度センサーと、該加速度センサーと接続されたコンピュータとを含む、切羽土質分布の判別システムを備えるシールド掘進機における切羽地盤の判定方法であって、施工現場に立坑を構築する際に採取した掘削残土、又は施工現場の周辺の掘削現場から採取した掘削残土を用いて、複数の模擬土層を形成し、形成した各々の模擬土層にカッタービットを埋入して移動させた際の振動データ（応答加速度）を、加速度センサーによって採取し、採取した振動データを、各々の模擬土層に対応する切削振動データとしてコンピュータに予め記憶しておき、施工現場でシールド掘進機のカッターヘッドにより地盤を切削する際に、加速度センサーによって得られた振動データ（応答加速度）を、予め記憶された各々の模擬土層の切削振動データと照らし合わせることで、切削している切羽地盤の土質を判定するシールド掘進機における切羽地盤の判定方法を提供することにより、上記目的を達成したものである。
【０００８】
また、本発明のシールド掘進機における切羽地盤の判定方法は、前記模擬土層に埋入したカッタービットを、横方向及び深さ方向に移動させながら前記加速度センサーによって振動データを採取することが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明のシールド掘進機における切羽地盤の判定方法は、前記模擬土層に埋入したカッタービットを移動させながら、前記加速度センサーによって１秒間に１０〜２０００点の振動データを採取することが好ましい。
【００１０】
さらにまた、本発明は、上記のシールド掘進機における切羽地盤の判定方法において、各々の模擬土層に対応する切削振動データを採取する際に用いるビット振動試験装置であって、前記模擬土層を締め固めた状態で収容する、上面が開口面となっている土層収容槽と、前記カッタービットを着脱交換可能に支持固定すると共に、加速度センサーが取り付けられているビット固定冶具と、該ビット固定冶具を前記土層収容槽の内側で開口面に沿った横方向に往復移動させる横方向移動装置と、該ビット固定冶具を前記土層収容槽の内側で深さ方向に移動させる深さ方向移動装置とを含んで構成されており、前記土層収容槽に収容された前記模擬土層に前記カッタービットを埋入して、開口面に沿った横方向及び深さ方向に移動させながら、前記加速度センサーによって振動データを採取するビット振動試験装置を提供することにより、上記目的を達成したものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のシールド掘進機における切羽地盤の判定方法、又は該判定方法に用いるビット振動試験装置によれば、シールド掘進機の掘進時における、カッターヘッドの回転速度、シールド掘進機の掘進速度、カッタービットの違い等をパラメータとして反映させて、より精度良く、切羽面の地盤の土質を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の好ましい一実施形態に係るシールド掘進機における切羽地盤の判定方法に用いる、切羽土質分布の判別システムの説明図である。
【図２】本発明の好ましい一実施形態に係るシールド掘進機における切羽地盤の判定方法に用いるビット振動試験装置の斜視図である。
【図３】ビット振動試験装置の正面図である。
【図４】ビット振動試験装置の平面図である。
【図５】ビット振動試験装置の側面図である。
【図６】（ａ）は、強化型先行ビットを例示する正面図及び側面図、（ｂ）は、型先行ビットを例示する正面図及び側面図である。
【図７】土質の違いによる加速度変化を例示するチャートである。
【図８】粘土層における水平移動速度と応答加速度の関係を示すチャートである。
【図９】砂層における水平移動速度と応答加速度の関係を示すチャートである。
【図１０】砂礫層における水平移動速度と応答加速度の関係を示すチャートである。
【図１１】粘土層におけるＺ方向のフーリエスペクトルを示すチャートである。
【図１２】砂層におけるＺ方向のフーリエスペクトルを示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の好ましい一実施形態に係るシールド掘進機における切羽地盤の判定方法は、図１に示す切羽土質分布の判別システム１０を用いて、掘進中のシールド掘進機１１の切羽面の地盤の土質を、精度良く判定するための方法として採用されたものである。
【００１４】
ここで、図１に示す切羽土質分布の判別システム１０は、密閉型のシールド掘進機として、例えば泥土圧式のシールド掘進機１１によってシールドトンネルを構築する工事において、切削中の切羽面の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの状況を、リアルタイムで把握できるようにするシステムである。すなわち、例えば都市部においては、立坑用地の問題や地下埋設物との輻輳等を理由として、大口径のシールド掘進機のみならず、中小口径のシールド掘進機による工事でも、シールドトンネルを長距離化して構築することが望まれており、シールドトンネルを長距離化して構築する場合、シールド掘進機１１による掘進に伴って、切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質が変化することが多く、また積層した異なる土質の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの境界部分を掘進してゆく際には、切削される同じ切羽面１２に、異なる土質の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃが同時に現れる場合がある。図１に示す切羽土質分布の判別システム１０は、カッターヘッド１３に設けられたカッタービット１６の近傍に加速度センサー１４を取り付けておき、切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃをカッタービット１６により切削する際に発生する応答加速度を、振動データとして、カッターヘッド１３を回転させながら加速度センサー１４によって計測して、切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの状況を判定できるようになっている。
【００１５】
本実施形態の切羽地盤の判定方法は、上述の判別システム１０により切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質を判定する際に、シールド掘進機１１の掘進時における、カッターヘッド１３の回転速度、シールド掘進機１１の掘進速度、カッタービット１６の違い等のパラメータを反映させることによって、より精度良く、切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質を判定できるようにする。
【００１６】
そして、本実施形態の切羽地盤の判定方法は、カッターヘッド１３に取り付けられた加速度センサー１４と、加速度センサー１４と接続されたコンピュータ２０とを含む、切羽土質分布の判別システム１０を備えるシールド掘進機１１における切羽地盤の判定方法であって、施工現場に立坑３０を構築する際に採取した掘削残土、又は施工現場の周辺の掘削現場から採取した掘削残土を用いて、複数の模擬土層４０を形成し（図２参照）、形成した各々の模擬土層４０にカッタービット１６を埋入して移動させた際の、応答加速度である振動データを、加速度センサー１４によって採取し、採取した振動データを、各々の模擬土層４０に対応する切削振動データとしてコンピュータ２０に予め記憶しておき、施工現場でシールド掘進機１１のカッターヘッド１３により地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃを切削する際に、加速度センサー１４によって得られた振動データを、予め記憶された各々の模擬土層４０の切削振動データと照らし合わせることで、切削している切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質を判定するようになっている。
【００１７】
また、本実施形態では、図２〜図５に示すように、模擬土層４０に埋入したカッタービット１６を、横方向Ｘ及び深さ方向Ｚに移動させながら、加速度センサー１４によって振動データを採取するようになっている。
【００１８】
本実施形態では、シールド掘進機１１は、図１に示すように、密閉型のシールド掘進機として公知の、例えば泥土圧式のシールド掘進機となっている。泥土圧式のシールド掘進機１１には、シールド本体１５における先端部分のカッターヘッド１３の後方に、泥土圧によって満たされる隔室１９を形成するための隔壁１７が設けられており、この隔壁１７に支持させて、カッターヘッド１３のセンターシャフト１３ａが設けられている。またシールド本体１５の内部には、排泥機構（図示せず）、回転駆動モーター（図示せず）、シールドジャッキ（図示せず）、エレクター（図示せず）等が設けられている。
【００１９】
本実施形態では、切羽土質分布の判別システム１０を構成するコンピュータ２０は、データベースサーバとして機能する公知のものであり、例えばパーソナルコンピュータ等を使用することができる。コンピュータ２０としてのデータベースサーバは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｆ、記憶手段、入力手段、表示手段、出力手段等を備えている。データベースサーバのＣＰＵは、ＲＯＭに組み込まれた制御プログラムに従って、ＲＡＭをワークエリアとして使用しながら、データベースサーバの全体の動作を制御する。また、ＣＰＵは、各種のコンピュータプログラムがＲＯＭに組み込まれていることにより、記憶手段、入力手段、表示手段、出力手段等として機能させると共に、振動データ記憶部２１よって、加速度センサー１４から送られるシールド掘進機１１の施工時の応答加速度である振動データを、カッターヘッド１３の回転角度と共に記憶させたり、振動データ表示部２２によって、振動データ記憶部２１に記憶された施工時の振動データを、円周方向に分布する切削振動分布２３としてディスプレイ２４に表示させたり、前方土質分布判定部３２によって、切羽面１２よりも掘進方向前方の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質分布を、判定させたりできるようになっている。
【００２０】
また、本実施形態では、コンピュータ２０には、シールド工法における各種の計測器から収集される計測値や、入力手段を介してデータ入力される測量値を一元管理することが可能な、公知のシールド掘進管理システムが組み込まれている。シールド掘進管理システムは、例えばシールド工法における各種の計測器から収集された計測値を一元管理し、その情報を整理して技術者や作業者へ提供することによって、現場施工管理の支援を行う機能や、経時変化や統計処理の結果に基づいて、地山の状況や掘削土砂の状況、シールド掘進機の付加状況などを推測する機能や、或いは計測結果を入力することによりシール掘進機やセグメントの位置を計算して、基線からの偏差を求める機能等を備えている。このようなシールド掘進管理システムとしては、好ましくは株式会社演算工房製の「シールド掘進管理システム」を用いることができる。
【００２１】
さらに、本実施形態では、コンピュータ２０は、地上に設けられた運転管理室３１に設置されており、運転管理室３１に設置された当該コンピュータ２０は、例えば加速度センサー用アンプ２５ａ，２５ｂを介すると共に、ＰＣＬからなる制御盤２６、シーケンサ盤２７、遠隔操作盤２８等を備える公知の伝送システム２９を介することによって、各種の計測器や、後述する加速度センサー１４や補助加速度センサー１８と接続されている。
【００２２】
コンピュータ２０と共に図１に示す切羽土質分布の判別システム１０を構成する加速度センサー１４や補助加速度センサー１８は、速度の時間変化率（時間微分）である加速度を検出するセンサーとして公知の、種々の加速度センサーを用いることができる。加速度センサーは、物体に働く加速度が、加えられた外力に比例するといった物理法則を用いて、加速度そのものの値の測定や、外力が加わったことを検出するのに用いられる。加速度センサー１４や補助加速度センサー１８は、高精度な測定が要求される科学実験や、重力計測、地震計測等の他、傾き、振動、動き、衝撃、落下などを検出することが可能な種々の加速度センサーを用いることができる。このような加速度センサーとして、より具体的には、振動の大きさや周波数等を精度良く検出することが可能な、例えば昭和測器（株）製の３軸型の各種の圧電型加速度検出器を用いることができる。
【００２３】
本実施形態では、加速度センサー１４は、好ましくはカッターヘッド１３の外周部分として、カッターヘッド１３の最も外周部分に配置されたカッタービット１６ａに近接して、このカッタービット１６ａと離間した状態でカッターヘッド１３に取り付けられている。すなわち、加速度センサー１４は、例えば３軸型の圧電型加速度検出器となっており、好ましくは第１の検出方向を、シールド掘進機１１による掘進方向に沿わせ、第２の検出方向を、カッターヘッド１３の回転周方向に沿わせた状態で、カッターヘッド１３の最も外周部分に配置されたカッタービット１６ａの背面部分に取り付けられている。加速度センサー１４が、カッターヘッド１３の最も外周部分に配置されたカッタービット１６ａに近接して、カッタービット１６ａと離間した状態で取り付けられていることにより、切羽面の地盤をカッターヘッド１３によって切削する際の応答加速度（振動データ）を、適切に計測することが可能になる。また加速度センサー１４のメンテナンスが容易になると共に、カッタービット１６ａの交換作業に影響を及ぼすのを回避することができる。加速度センサー１４は、ロータリージョイントを通じて、接続ケーブル１４ａを介して加速度センサー用アンプ２５ａと接続している。
【００２４】
また、本実施形態では、補助加速度センサー１８が、シールド本体１５の内側壁面として、隔室１９を仕切る隔壁１７の背面部分に取り付けられている。補助加速度センサー１８は、加速度センサー１４と同様に、例えば３軸型の圧電型加速度検出器となっており、好ましくは第１の検出方向を、シールド掘進機１１による掘進方向に沿わせ、第２の検出方向を、カッターヘッド１３の回転周方向に沿わせた状態で、隔壁１７の背面部分に取り付けられている。これによって、シールド掘進機１１の稼働時に、シールド本体１５が振動することによる固有の振動データを、効率良く且つ精度良く計測して得ることが可能になる。また補助加速度センサー１８は、接続ケーブル１８ａを介して加速度センサー用アンプ２５ｂと接続している。補助加速度センサー１８からの本体部振動データが、加速度センサー用アンプ２５ｂ及び伝送システム２９を介してコンピュータ２０に送られることで、上述のように、振動データ表示部２２は、ノイズや機械震動を取り除いた状態で、加速度センサー１４から送られる回転角度毎の振動データを、円周方向の切削振動分布２３として表示させることができるようになっている。
【００２５】
さらに、本実施形態では、カッターヘッド１３のセンターシャフト１３ａに、例えばロータリーエンコーダからなる回転計（図示せず）が取り付けられている。この回転計によって計測された回転角度が、伝送システム２９を介してコンピュータ２０に送られることで、加速度センサー１４によって計測された、施工時に切羽面１２を切削する際の振動データを、所定の回転角度毎に、振動データ記憶部２１によって記憶させることができるようになっている。
【００２６】
ここで、本実施形態によれば、加速度センサー１４による円周方向の計測の頻度Δθは、データ収集の時間間隔Δｔと、カッターヘッド１５の回転速度ｒ(ppm)とから、Δθ＝ｒ／６０×Δｔ×３６０°の計算式によって決まるようになっている。例えばシールド掘進機１１が、掘削外径が２３６０ｍｍ程度の小口径の掘進機であって、回転速度がｒ＝２．３(ppm)と早くなっている場合に、計測時間間隔Δｔを０．１秒と設定した際の計測の頻度Δθは、Δθ＝２．３／６０×０．１×３６０°から、１．３８°となり、したがって１．３８°毎に、加速度センサー１４による計測がなされることになる。
【００２７】
また、本実施形態では、カッターヘッド１３における加速度センサー１４の円周方向の位置θ°を把握するために、カッターヘッド１３のセンターシャフト１３ａに、接点スイッチ（図示せず）が設置されており、例えばシールド掘進機１１の天端をゼロ点として、このゼロ点を通過する毎回の通過時に、リセット処理を行うことができるようになっている。
【００２８】
本実施形態では、加速度センサー１４によって所定の回転角度毎に計測された施工時の応答加速度である振動データは、好ましくは加速度センサー１４による計測時と同じタイミングで補助加速度センサー１８によって計測された本体部振動データと共に、専用の加速度センサー用アンプ２５ａ、２５ｂを介して出力され、出力された信号は、制御盤２６やシーケンサ盤２７を通過することで、その他の掘進管理データと同じ伝送システム２９を通じて、運転管理室３１に送られるようになっている。
【００２９】
そして、本実施形態では、上述のように、施工現場における施工時に、シールド掘進機１１のカッターヘッド１３によって地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃを切削する際に、加速度センサー１４によって得られた振動データを、予めコンピュータ２０に記憶されている、例えば施工現場とは離れた実験施設において得られた、各々の模擬土層４０の切削振動データと照らし合わせることで、切削している切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質を判定するようになっている。
【００３０】
すなわち、本実施形態では、例えば実験施設に設けられた、例えば図２〜図５に示すようなビット振動試験装置５０において、施工現場で立坑３０を構築する際に採取した掘削残土や、施工現場の周辺の掘削現場から採取した掘削残土を用いて、複数の模擬土層４０を、土層収容槽５１に入れ替えるようにして順次形成する（図２参照）。順次入れ替えられて形成された各々の模擬土層４０に、カッタービット１６を、埋入した状態で移動させると共に、移動させる際に生じる振動データ（応答加速度）を、加速度センサー１４によって採取し、採取した振動データを、各々の模擬土層４０に対応する切削振動データとして取得する。また取得した切削振動データは、有線又は無線の通信手段を介して、或いはＣＤ−ＲＯＭ等の外部記憶手段を介して、運転管理室３１に設置されたコンピュータ２０に取り込まれ、振動データ記憶部２１よって予め記憶される。カッターヘッド１３により切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃを実際に切削する際に、加速度センサー１４によって得られた施工時の振動データ（応答加速度）を、予め記憶された模擬土層４０の切削振動データと照らし合わせることで、切削している切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質を、前方土質分布判定部３２により判定する。
【００３１】
ここで、各々の模擬土層４０に対応する切削振動データは、図２〜図５に示すビット振動試験装置５０を用いることによって、容易に採取して取得することができる。ビット振動試験装置５０は、模擬土層４０を締め固めた状態で順次入れ替えてで収容することが可能な、上面が開口面５１ａとなっている土層収容槽５１と、カッタービット１６を着脱交換可能に支持固定すると共に、加速度センサー１４が取り付けられているビット固定冶具５２と、ビット固定冶具５２を土層収容槽５１の内側で開口面５１ａに沿った横方向Ｘに往復移動させる横方向移動装置５３と、ビット固定冶具５２を土層収容槽５１の内側で深さ方向Ｚに移動させる深さ方向移動装置５４とを含んで構成されている。土層収容槽５１に収容された模擬土層４０にカッタービット１６を埋入して、開口面５１ａに沿った横方向Ｘ及び深さ方向Ｚに移動させながら、加速度センサー１４によって、カッタービット１６の振動データ（応答加速度）を採取する。
【００３２】
ビット振動試験装置５０を構成する土層収容槽５１は、好ましくは鋼製プレート、山形鋼、溝形鋼等の鋼材を組み付けることによって形成された、例えば長さが１７００ｍｍ程度、幅が３００ｍｍ程度、高さが３００ｍｍ程度の内寸の土層収容部５１ｂを内側に備える、上面が開口面５１ａとなった六面体形状の函体となっており、当該土層収容槽５１による拘束の影響が、収容される模擬土層４０に及ばないように配慮されている。土層収容槽５１は、例えばＨ形鋼等の鋼材を組み付けることによって形成された、例えば長さが２８００ｍｍ程度、幅が８５０ｍｍ程度の大きさの外形寸法を有する、矩形枠形状の取付け架台５５における、一方の長辺側に片寄せた状態で設置されている。土層収容槽５１には、施工現場で立坑３０を構築する際に採取した掘削残土や、施工現場の周辺の掘削現場から採取した掘削残土が投入されて、締め固められることによって、切削振動データを得るための模擬土層４０が、取り換え替え可能に収容される。取付け架台５５における、土層収容槽５１が設置された側とは反対の他方の長辺側には、移動装置支持架台５６が、土層収容槽５１の側部に沿って、取付け架台５５から立設した状態で設けられている。移動装置支持架台５６により支持されて、ビット固定冶具５２を、土層収容槽５１の開口面に沿った横方向Ｘに往復移動させる横方向移動装置５３が取り付けられている。
【００３３】
本実施形態では、ビット振動試験装置５０を構成する横方向移動装置５３は、例えばボールねじ５３ａ、水平駆動用サーボモータ５３ｂ、ケーブルキャリア５３ｃ、接点スイッチ（図示せず）等の、公知の部材や装置を組み付けて形成されている。横方向移動装置５３は、振動データを得るための試験対象となるカッタービット１６を着脱交換可能に支持固定する、ビット固定冶具５２を備える横方向移動基台５７を、一対のガイドレール５３ｄに案内させながら、土層収容槽５１の開口面に沿った横方向Ｘとして、好ましくは水平面に沿った土層収容槽５１の長さ方向Ｘに、ビット固定冶具５２と共に往復移動させることができるようになっている。すなわち、横方向移動装置５３は、土層収容槽５１の長さ方向Ｘと平行に配置されたボールねじ５３ａを、水平駆動用サーボモータ５３ｂの駆動により正方向や逆方向に回転させることによって、横方向移動基台５７を、後述する所定の移動速度で、土層収容槽５１の長さ方向Ｘに、ビット固定冶具５２と共に往復移動させることができるようになっている。一対のガイドレール５３ｄは、土層収容槽５１の長さ方向Ｘと平行に配置されたボールねじ５３ａを挟んで、これの両側に設置されており、また横方向移動装置５３は、公知の接点スイッチによって、水平駆動用サーボモータ５３ｂによるボールねじ５３ａの回転を、正方向や逆方向に切り替えることで、横方向移動基台５７を、ビット固定冶具５２と共に、土層収容槽５１の長さ方向Ｘに往復移動させることができるようになっている。
【００３４】
ビット固定冶具５２を備える横方向移動基台５７は、例えば鋼製プレート、山形鋼、溝形鋼等の鋼材を組み付けることによって形成されており、例えば縦幅が２００ｍｍ程度、横幅が５００ｍｍ程度大きさの、横長矩形の平面形状を有している。横方向移動基台５７は、横幅方向を土層収容槽５１の長さ方向Ｘと垂直な方向に配置して、一対のガイドレール５３ｄに跨るようにして配設されると共に、ケーブルキャリア５３ｃとは反対側の部分を、土層収容槽５１の開口面５１ａの上方まで張り出させた状態で取り付けられている。横方向移動基台５７のケーブルキャリア５３ｃ側の端部は、連結アングル材５７ａを介して、当該ケーブルキャリア５３ｃに連結されている。横方向移動基台５７における、土層収容槽５１の開口面５１ａの上方に張り出した部分には、ビット固定冶具５２を土層収容槽５１の内側で深さ方向Ｚに移動させる、深さ方向移動装置５４が設けられている。この深さ方向移動装置５４を介在させて、カッタービット１４を着脱交換可能に支持固定するビット固定冶具５２が、横方向移動基台５７に、土層収容槽５１の開口面５１ａに沿った横方向Ｘに往復移動が可能な状態で取り付けられている。
【００３５】
深さ方向移動装置５４は、本実施形態では、例えばスクリュージャッキ５４ａ、垂直駆動用サーボモータ５４ｂ、ガイドピストン５４ｃ、接点スイッチ（図示せず）等の、公知の部材や装置を組み付けることによって形成されている。深さ方向移動装置５４は、横方向移動基台５７から垂直に立設して配置された、ガイドスリーブ５４ｄ及びガイドロッド５４ｅからなる一対のガイドピストン５４ｃによって案内させながら、垂直駆動用サーボモータ５４ｂの駆動によりスクリュージャッキ５４ａを伸縮させることで、ガイドピストン５４ｃ及びスクリュージャッキ５４ａの下端部に連結して取り付けられたビット固定冶具５２を、当該ビット固定冶具５２に着脱交換可能に支持固定されたカッタービット１６と共に、土層収容槽５１の内側で、土層収容槽５１の深さ方向Ｚに、後述する所定の移動速度で、上下に移動させることができるようになっている。
【００３６】
ビット固定冶具５２は、振動データを得るための試験対象となるカッタービット１６を、下方に垂下させた状態で安定して支持固定することが可能な、所定の形状となるように加工形成された厚肉の鋼製プレートからなり、上下に貫通するボルト締着孔５２ａ（図５参照）を、複数箇所に備えている。ビット固定冶具５２には、ボルト締着孔５２ａに締着されるボルト部材５２ｂ（図５参照）を介して、カッタービット１６が、下方に垂下した状態で着脱交換可能に固定される。またビット固定冶具５２は、ボルト締着孔５２ａに締着されるボルト部材５２ｂを介して、深さ方向移動装置５４の一対のガイドピストン５４ｃのガイドロッド５４ｅの下端部、及びスクリュージャッキ５４ａの下端部を一体として連結する連結盤５４ｆに、締着固定されている（図５参照）。これによってビット固定冶具５２は、当該ビット固定冶具５２に取り行けられたカッタービット１６と共に、深さ方向移動装置５４の駆動によって、土層収容槽５１の内側で、土層収容槽５１の深さ方向Ｚに、後述する所定の移動速度で上下に移動させることができるようになっている。
【００３７】
また、本実施形態では、ビット固定冶具５２の上面側には、下面側に取り付けられたカッタービット１６と近接して、加速度センサー１４が、カッタービット１６と離間した状態で取り付けられている。加速度センサー１４は、好ましくは、上述の切羽土質分布の判別システム１０において、カッタービット１４と近接してシールド掘進機１１のカッターヘッド１３に取り付けられる加速度センサー１４と同様の、３軸型の圧電型加速度検出器を用いることができる。加速度センサー１４は、好ましくは第１の検出方向を、シールド掘進機１１による掘進方向に相当する、土層収容槽５１の深さ方向Ｚに沿わせると共に、第２の検出方向を、カッターヘッド１３の回転周方向に相当する、土層収容槽５１の長さ方向Ｘの沿わせた状態で、ビット固定冶具５２に取り付けられる。
【００３８】
加速度センサー１４は、上述のビット振動試験装置５０において、ビット固定冶具５２に支持固定されているカッタービット１６を、模擬土層４０に埋入した状態で往復移動させながら、当該加速度センサー１４によって、１秒間に１０〜２０００点の振動データを採取できるものであることが好ましく、１秒間に５０〜１０００点の振動データを採取できるものであることがさらに好ましい。これによって、採取された振動データ（応答加速度）の大きさと頻度を、フーリエ変換することにより、フーリエスペクトルを得ることが可能になって、土質毎の模擬土層４０の応答加速度の違いを調べる中で、地盤の特徴をより正確に分析することが可能になる。
【００３９】
本実施形態では、加速度センサー１４は、例えば１０００分の１秒に１点として、１分間に６万点の振動データ（応答加速度）を採取できるようになっている。これによって、模擬土層４０を構成する、砂や土や石の粒子の大きさや形状を反映させた、極めの細かい振動データを採取することが可能になる。このため、加速度センサー１４は、好ましくは取付け架台５５に設置された操作制御盤６０に組み込まれた計測装置を構成する、例えば計測頻度が１．０μｓ、最大計測点数が６００００点の、高性能の公知のデータロガーと接続している。
【００４０】
上述の構成を備えるビット振動試験装置５０を用いて、施工現場やこれの周辺の掘削現場から採取した掘削残土による、複数の模擬土層４０の切削振動データを得るには、採取した掘削残土を用いて、例えば粘土層、砂層、砂礫層等による模擬土層４０を、土層収容槽５１の内側の土層収容部５１ｂに各々形成する。これらの模擬土層４０を形成する際に、粘土層、砂層、砂礫層等の湿潤密度や締固め度を調整することによって、これらの模擬土層４０が所定の硬さとなるように、適宜設定することができる。
【００４１】
しかる後に、深さ方向移動装置５４によりビット固定冶具５２を下方に移動させて、振動データを得るための試験対象となるカッタービット１６を、形成された模擬土層４０の内部に埋入させると共に、埋入された状態のまま、横方向移動装置５３及び深さ方向移動装置５４を駆動させて、カッタービット１６を、好ましくは横方向Ｘ及び深さ方向Ｚに同時に移動させながら、加速度センサー１４によって応答加速度である振動データを採取する。
【００４２】
ここで、横方向移動装置５３は、ビット固定冶具５２に支持固定されたカッタービット１６を、カッターヘッド１３の外周部分の回転速度に相当する、例えば１５０〜３００ｍｍ／ｓｅｃの速度の範囲で、土層収容槽５１の長さ方向Ｘに、可変速可能に往復移動させることができるようになっている。また深さ方向移動装置５４は、連結盤５４ｆを介して一対のガイドピストン５４ｃのガイドロッド５４ｅの下端部、及びスクリュージャッキ５４ａの下端部に、一体として取り付けられたビット固定冶具５２に支持固定されたカッタービット１６を、シールドジャッキの伸長速度（シールド掘進機の掘進速度）に相当する、例えば２０〜５０ｍｍ／ｍｉｎの速度の範囲で、下方に向けて深さ方向Ｚに可変速可能に移動させることができるようになっている。カッタービット１６を土層収容槽５１の長さ方向Ｘ及び深さ方向Ｚに可変速可能に移動させることにより、実際のシールド工事に用いる個々のシールド掘進機１１のカッターヘッド１３の性能や規模に対応させた、より精度良いカッタービット１６の切削振動データを得ることが可能になると共に、カッターヘッドの回転速度やシールド掘進機の掘進速度をパラメータとして反映させた、より精度良いカッタービット１６の切削振動データを得ることが可能になる。
【００４３】
また、本実施形態では、ビット固定冶具５２に、振動データを得るための試験対象となるカッタービット１６を、着脱交換可能に支持固定できるようになっているので、カッタービット１６として、例えば礫質土による地盤に有利な強化型先行ビットと、シルト質土、粘土、砂質土等による地盤に使用される先行ビットについて、各々の振動データを採取することによって、カッタービットの違いをパラメータとして反映させた、より精度良いカッタービット１６の切削振動データを得ることが可能になる。
【００４４】
採取されたこれらの切削振動データは、上述のように、各々の模擬土層４０に対応する切削振動データとして、有線又は無線の通信手段を介して、或いはＣＤ−ＲＯＭ等の外部記憶手段を介して、運転管理室３１に設置されたコンピュータ２０に取り込まれ、振動データ記憶部２１よって予め記憶されることになる。
【００４５】
そして、本実施形態の切羽地盤の判定方法では、シールド工事の施工現場でシールド掘進機１１のカッターヘッド１３により地中の地盤を切削する際に、上述の判別システム１０を構成する、好ましくはカッターヘッド１３の最も外周部分に配置されたカッタービット１６ａに近接して取り付けられた加速度センサー１４によって、切削時の振動データ（応答加速度）を採取すると共に、採取された振動データを、振動データ記憶部２１よって予めコンピュータ２０に記憶されている、例えば上述の実験施設において、好ましくは上述のビット振動試験装置５０を用いて得られた、各々の模擬土層４０の中で、カッタービット１６を移動させながら当該カッタービット１６によって切削した際の、複数の模擬土層４０の各々に対応する切削振動データと照らし合わせることで、切削している切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質を判定するようになっている。
【００４６】
本実施形態では、振動データ記憶部２１よって予めコンピュータ２０に記憶されている、複数の模擬土層４０の各々に対応する切削振動データは、各々の模擬土層４０が、施工現場に立坑３０を構築する際に実際に採取した掘削残土や、施工現場の周辺の掘削現場から実際に採取した掘削残土を用いて形成されたものとなっており、且つカッターヘッド１３の回転速度、シールド掘進機１１の掘進速度、カッタービット１６の違い等をパラメータとして反映させた、細分化されたものとなっている。これによって、本実施形態によれば、従来の判別システムや判定方法のように、カッターヘッド１３の最も外周部分に配置されたカッタービット１６ａに近接して取り付けられた加速度センサー１４によって採取された振動データの変化を、例えばシールド掘進機による掘進前に、施工現場において予め実施されたボーリングなどによる地盤調査の結果と照らし合わせることによって、切羽面の地盤の土質を判別していたものと比較して、より精度良く、切羽面の地盤の土質を判定することが可能になる。
【００４７】
すなわち、本実施形態のシールド掘進機における切羽地盤の判定方法、又は該判定方法に用いるビット振動試験装置５０によれば、シールド掘進機の掘進時における、カッターヘッドの回転速度、シールド掘進機の掘進速度、カッタービットの違い等をパラメータとして反映させて、より精度良く、切羽面の地盤の土質を判定することが可能になる。
【００４８】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、施工現場に立坑を構築する際に採取した掘削残土や、施工現場の周辺の掘削現場から採取した掘削残土を用いて形成した複数の模擬土層から、各々の模擬土層に対応する切削振動データを予め取得する装置として、図２〜図５に示す構成のビット振動試験装置を用いる必要は必ずしもなく、その他の装置を用いて、各々の模擬土層に対応する切削振動データを取得することもできる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例により、本発明のシールド掘進機における切羽地盤の判定方法をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５０】
図２〜図５に示す構成を備える、上記実施形態に用いた試験装置と同様のビット振動試験装置を使用し、粘土、砂、及び礫地盤を模擬したＲＣ４０の砕石を用いて、土層収容槽５１に、各々の試験毎に模擬土層を形成した。また、振動データを得るための試験対象となるカッタービットとして、礫質土による地盤に有利な図６（ａ）に示す強化型先行ビット（ビット１）と、シルト質土、粘土、砂質土等による地盤に使用される図６（ｂ）に示す先行ビット（ビット２）とを、ビット固定冶具５２に交換して取り付けて、各々のビットによる振動データを採取した。使用したビット振動試験装置の概要を表1に示す。また、実験ケースを表２に示す。
【００５１】
【表１】
2019027121.tif 000003
【００５２】
【表２】
2019027121.tif 000004
【００５３】
〔土質の違いに関する検証〕
図７は、粘土、砂、ＲＣ４０の土質の違いによる応答加速度を整理したものである。縦軸に応答加速度（Ｘ方向平均）、横軸に土質を表示している。ビットの違いによらず、粘土、砂に比べてＲＣ４０の応答加速度は、大きくなる傾向がある。また、粘土と砂は、応答加速度の平均値の評価では大きな差異は表れなかった。これによって、土質による応答加速度の違いは、ＲＣ４０では顕著に大きくなるが、砂と粘土は大きく変わらないことが判明する。
【００５４】
〔水平移動速度（Ｘ方向速度）の違いに関する検証〕
図８〜図１０は、水平移動速度の違い（１５０〜３００ｍｍ／ｓ）による応答加速度の変化を、縦軸に応答加速度（平均）、横軸に水平移動速度を表示して整理したものである。すべての条件で、水平移動速度が速くなるにつれて応答加速度が大きくなることが確認された。図８は、粘土における結果であり、Ｘ方向応答加速度はＺ方向応答加速度に対して約２倍の応答加速度を示している。この傾向は図９の砂でも同様の結果であった。一方、図１０のＲＣ４０の結果では、ビット形状による応答加速度の違いは顕著に表れているが、粘土や砂と異なり、Ｘ方向応答加速度、Ｚ方向応答加速度に大きな違いが出ていない。これによって、水平移動速度は、カッター摺動速度（直径×回転速度）でシールドマシンごとに決まることや、移動速度〜加速度曲線が各土質で直線的となり加速度の大きさに違いが出ることから、図８〜図１０に示す応答加速度（平均）と水平移動速度との関係のデータは、土質判別には有効なデータとなることが判明する。
【００５５】
〔フーリエスペクトルによる「粘土と砂の違い」に関する再検証〕
粘土と砂について計測した、Ｚ方向応答加速度のフーリエスペクトルを図１１、図１２に示す。砂のフーリエスペクトルにおいて卓越周波数が顕著にみられることから、フーリエスペクトルによる検証は、粘土と砂の差異を見出す手段として有効であると考えられる。またこれによって、粘土と砂の差異は、応答加速度におけるフーリエスペクトルの卓越周波数から判断できることが判明する。
【符号の説明】
【００５６】
１０  切羽土質分布の判別システム
１１  シールド掘進機
１２  切羽面
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ  切羽面の地盤
１３  カッターヘッド
１４  加速度センサー
１５  シールド本体
１６  カッタービット
１６ａ  最も外周部分に配置されたカッタービット
２０  コンピュータ
２１  振動データ記憶部
３０  立坑
３１  運転管理室
３２  前方土質分布判定部
４０  模擬土層
５０  ビット振動試験装置
５１  土層収容槽
５１ａ  開口面
５２  ビット固定冶具
５３  横方向移動装置
５３ａ  ボールねじ
５３ｂ  水平駆動用サーボモータ
５３ｃ  ケーブルキャリア
５３ｄ  ガイドレール
５４  深さ方向移動装置
５４ａ  スクリュージャッキ
５４ｂ  垂直駆動用サーボモータ
５４ｃ  ガイドピストン
５４ｄ  ガイドスリーブ
５４ｅ  ガイドロッド
５４ｆ  連結盤
５５  取付け架台
５６  移動装置支持架台
５７  横方向移動基台
Ｘ    土層収容槽の開口面に沿った横方向（土層収容槽の長さ方向）
Ｚ    土層収容槽の深さ方向
【図１】
2019027121.tif 000005
【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】
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【図７】
2019027121.tif 000011
【図８】
2019027121.tif 000012
【図９】
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【図１０】
2019027121.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
2019027121.tif 000016