(57)【要約】【課題】切羽面の２次元の地盤状況分布まで把握することができ、さらに地盤状況の評価を精度よく行うことができる地盤状況監視方法および装置を提供する。【解決手段】掘進機のカッタフェイスに取り付けた複数の音波センサの出力を、前記カッタフェイスの回転に同期させて表示・記録することにより、切羽面の地盤状況の分布を検知することを特徴とする地盤状況監視方法であり、前記複数の音波センサと、該音波センサの音響検出信号を増幅するアンプと、該増幅された信号のうち不要な周波数成分をカットするフィルタと、該フィルタにより濾波された音響検出信号を波形処理する波形処理装置と、前記カッタフェイスの回転角を検出する角度センサと、前記波形処理装置の出力データを前記カッタフェイスの回転に同期させて表示・記録するデータ表示・記録装置とを備えたことを特徴とする地盤状況監視装置である。【選択図】　　　　　図１
2004027702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘進機のカッタフェイスに取り付けた複数の音波センサの出力を、前記カッタフェイスの回転に同期させて表示・記録することにより、切羽面の地盤状況の分布を検知することを特徴とする地盤状況監視方法。
【請求項２】
複数の音波センサを、掘進機のカッタフェイスに配設されたカッタビットの至近部に取り付け、切羽面の礫ないしは障害物の種類ならびに分布を検知することを特徴とする請求項１に記載の地盤状況監視方法。
【請求項３】
掘進機のカッタフェイスに取り付けた複数の音波センサと、該音波センサの音響検出信号を増幅するアンプと、該増幅された信号のうち不要な周波数成分をカットするフィルタと、該フィルタにより濾波された音響検出信号を波形処理する波形処理装置と、前記カッタフェイスの回転角を検出する角度センサと、前記波形処理装置の出力データを前記カッタフェイスの回転に同期させて表示・記録するデータ表示・記録装置とを備えたことを特徴とする地盤状況監視装置。
【請求項４】
複数の音波センサを、掘進機のカッタフェイスに配設されたカッタビットの至近部に取り付けたことを特徴とする請求項３に記載の地盤状況監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド工法や推進工法による地中掘進において、切羽での地盤状況監視を連続的かつ視覚的に行う技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、地中にトンネルを構築する非開削工法として、筒状のシールド掘進機により地中を掘削し、後方でセグメントを組み立てていくシールド工法が知られており、小口径に対応する工法としては、掘進機の後方から推進管を押し込んでいくセミシールド工法や推進工法が知られている。
【０００３】
これらの工法においては、切羽での地盤状況や障害物の状況が掘進条件を大きく左右するため、常時切羽での地盤状況や障害物の状況を監視し、その情報にしたがって掘進条件を調整する等のオペレーションを行うことが望ましい。
【０００４】
従来の掘進監視装置としては、例えば特開平９−２０９６８８号公報に開示された装置がある。
【０００５】
図７は、従来のシールド掘進機の掘進監視装置を示す説明図である。この図７において、シールド掘進機１の隔壁３の後面に音波センサとしての加速度センサ１５が取り付けられ、地上の制御室内に音響モニタ１６、波形処理装置１７、演算・表示部であるコンピュータ１９およびプリンタ２０等が設置される。加速度センサ１５からの音響検出信号は、音響モニタ１６に内蔵したバンドパスフィルタ１６ｂで濾波することによって主に地盤掘削音に対応する信号を取り出し、この信号を波形処理装置１７で波形処理することによって、所定のサンプリング周期ごとの振幅値をデジタル信号として出力し、コンピュータ１９がこの振幅値を蓄積してセグメント２１の各リングに対応する１サイクルの掘進距離ごとの平均値を演算し、その演算結果をディスプレイあるいはプリンタ２０に出力表示する。
【０００６】
上記のように構成された従来技術の作用を説明すると、加速度センサ１５は密閉チャンバ７の後部の隔壁３に伝達されたカッタフェイス２による地盤掘削音や、密閉チャンバ７内の攪拌音や、機械振動による騒音等を含む音波を、これに対応した音響検出信号として出力するもので、その適切な信号処理後のデータをオペレータが地上において常時監視することによって、切羽における地盤状況を連続的に把握することが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の掘進監視装置では、１個の加速度センサ１５を使用して掘進方向の地盤状況変化を監視しており、切羽面の２次元の地盤状況分布までは把握できない。また、加速度センサ１５は密閉チャンバ７の後部の隔壁３に取り付けられているため、主音源である切羽から加速度センサ１５までの伝播経路が長い上にそれが複数存在することとなり、加速度センサ１５で検出される音響検出信号は本来切羽で発生している音響信号とは異なった特性のものとなる。したがって、そのような音響検出信号を用いても、正確な地盤状況の評価は困難である。
【０００８】
本発明は、上述のような問題点の解決を図ろうとするもので、切羽面の２次元の地盤状況分布まで把握することができ、さらに地盤状況の評価を精度よく行うことができる地盤状況監視方法および装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明は次のような構成を有する。
（１）掘進機のカッタフェイスに取り付けた複数の音波センサの出力を、前記カッタフェイスの回転に同期させて表示・記録することにより、切羽面の地盤状況の分布を検知することを特徴とする地盤状況監視方法。
（２）複数の音波センサを、掘進機のカッタフェイスに配設されたカッタビットの至近部に取り付け、切羽面の礫ないしは障害物の種類ならびに分布を検知することを特徴とする前項（１）に記載の地盤状況監視方法。
（３）掘進機のカッタフェイスに取り付けた複数の音波センサと、該音波センサの音響検出信号を増幅するアンプと、該増幅された信号のうち不要な周波数成分をカットするフィルタと、該フィルタにより濾波された音響検出信号を波形処理する波形処理装置と、前記カッタフェイスの回転角を検出する角度センサと、前記波形処理装置の出力データを前記カッタフェイスの回転に同期させて表示・記録するデータ表示・記録装置とを備えたことを特徴とする地盤状況監視装置。
（４）複数の音波センサを、掘進機のカッタフェイスに配設されたカッタビットの至近部に取り付けたことを特徴とする前項（３）に記載の地盤状況監視装置。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係るセミシールド掘進機の地盤状況監視装置の一実施形態を示す説明図である。図１において、セミシールド掘進機１は、カッタモータ４により回転駆動されるカッタフェイス２の表面に設けられたカッタビット２ａで切羽の地山を掘削しながら、図示しない後方の発進立坑に設置された推進用ジャッキにより推力を加えられて掘進する。その際、地上からは送泥管５を通じて切羽６に粘度調整された泥水が送られ、切羽６が掘進中に崩壊しないように、その安定を保ちながら掘進する。掘削した地山の土砂と地上から送られた泥水はチャンバ７に取り込まれた後、ピンチバルブ８に接続された排泥口９より礫分別装置１０に投入され、大径礫はベルトコンベア１１で礫搬出台車１２に積み込まれ、地上に搬出される。礫分別装置１０を通過した小径礫とその他の排泥は、排泥タンク１３に一旦貯められた後、図示しない地上の真空ポンプで吸引するか、もしくは排泥タンク１３側から圧縮空気により圧送するなどして排泥管１４を通じて地上に搬出される。このようにして掘進し、掘進した分だけ後方に推進管を継ぎ足すことを繰り返してトンネルを構築していく。
【００１２】
音波センサとして、本実施形態では加速度センサ１５を用いているが、この加速度センサ１５は、カッタビット２ａの至近部に取り付けられており、掘削中のカッタビット２ａに発生する加速度を検出している。この検出信号は、アンプ１５ａで増幅されてデータ処理装置１７に送られる。データ処理装置１７では、加速度波形の振幅、周波数等についてデータの評価に必要な処理が適宜施され、処理データの表示および記録が行われる。セミシールド掘進機１を操作するオペレータは、この情報を基にして切羽の地盤状況を把握し、掘進条件をコントロールする。
【００１３】
次に、上記の地盤状況監視装置の詳細について説明する。
【００１４】
図２は、本発明に係る加速度センサの一実施形態を示す説明図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００１５】
図３は、本発明に係るデータ処理手順の一実施形態を示す説明図である。
【００１６】
図４は、本発明に係る加速度波形の一例を示す説明図であり、図４（ａ）は礫なし地盤の場合、図４（ｂ）は礫地盤の場合を示す。
【００１７】
図５は、本発明に係る礫位置評価方法の一実施例を示す説明図であり、図５（ａ）は礫とカッタビット２ａの位置説明図、図５（ｂ）はその時の加速度計測点の説明図である。
【００１８】
図６は、本発明に係る画面表示の一実施例を示す説明図である。
【００１９】
以下、図２〜図６に基づいて地盤状況監視方法を説明する。
【００２０】
図２に示す実施例では、加速度センサ１５は、カッタフェイス２において、その中心から半径方向に一列に配設された各カッタビット２ａの至近の位置に各々１個ずつ計４個取り付けられている。この加速度センサ１５は、損傷を考慮した上で可能であれば、カッタビット２ａ自体に取り付けてもよい。可能な限りカッタビット２ａに近い場所が好ましい。取り付ける個数は多いほどデータのサンプリング数が多くなり、精度が高まる。
【００２１】
各加速度センサ１５からのケーブルは、カッタフェイス２の回転軸２ｂに取り付けたロータリーコネクタ２ｃによってセミシールド掘進機１の内部に引き込まれている。
【００２２】
図３に示すデータ処理手順のとおり、加速度センサ１５の出力データは、アンプ１５ａ、１６ａ、フィルタ１６ｂを経由した後、データ処理装置１７において、加速度波形の振幅、周波数等、データの評価に必要な処理が適宜行われる。その後、カッタフェイス２の回転角を検出する角度センサ１８からの信号を利用して、回転角に対する加速度データを表示、記録する。
【００２３】
図４（ａ）は礫なし地盤の場合の加速度波形であり、適用地盤の過去のデータを基にして決定した閾値に対し、加速度は小さいものとなっている。
【００２４】
図４（ｂ）は礫地盤の場合の加速度波形であり、同閾値に対し、加速度は大きいものとなっている。
【００２５】
図５で礫とカッタビット２ａの衝突時に発生した加速度による礫位置評価方法を説明する。図５（ａ）に示したように、この場合は上下２箇所で礫にカッタビット２ａが当たっており、カッタフェイス２が１回転する間にデータの取り込みピッチに応じた回数、閾値以上の加速度を計測しており、その時のカッタフェイス２の回転角度に基づいて、計測点を表示している。各表示データは、同一点における新規のデータが計測されるまで表示が継続される。したがって、加速度センサ１５の個数が多ければ、データの更新頻度は高まる。例えば、この実施例の場合、カッタフェイス２の１回転で１回データが更新される。また、カッタフェイス２の半径方向に加速度センサ１５の個数を増やしたり、データの取り込みピッチを細かくすれば、より小さな礫や細かい形状変化を知ることができる。
【００２６】
また、複数の閾値を設定して、各レベルごとに色分け表示をする等の処理を行うことにより、切羽地盤の概略の強度分布を知ることもできる。さらには、周波数、波形パターン等、加速度波形そのものの比較解析により、地盤状況の詳細な評価を行うこともできる。
【００２７】
図６に示すように、オペレータは、モニター画面により常時切羽前方を視覚的に把握することができ、掘進条件の調整等に極めて有効である。
【００２８】
以上のように、本発明によれば、切羽での地盤状況監視を連続的に、かつ視覚的に行うことができる。
【００２９】
上述の実施形態においては、セミシールド工法を例として説明したが、本発明はこれに限らず一般的なシールド工法や推進工法にも適用できることは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上に述べた本発明によれば、複数の加速度センサ等の音波センサを掘進機のカッタフェイスに配設するので、これらの音波センサの出力を掘進機のカッタフェイスの回転に同期させて表示・記録することにより、切羽面の２次元の地盤状況分布を把握することができる。
【００３１】
また、上記の音波センサの出力が、カッタビットの至近部で得られた音響信号であれば、その音響特性を解析することにより、地盤状況のみならず礫や障害物の種類判定のような、より高精度な評価を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセミシールド掘進機の地盤状況監視装置の一実施形態を示す説明図
【図２】本発明に係る加速度センサの一実施形態を示す説明図
【図３】本発明に係るデータ処理手順の一実施形態を示す説明図
【図４】本発明に係る加速度波形の一例を示す説明図
【図５】本発明に係る礫位置評価方法の一実施例を示す説明図
【図６】本発明に係る画面表示の一実施例を示す説明図
【図７】従来のシールド掘進機の掘進監視装置を示す説明図
【符号の説明】
１　　セミシールド掘進機
２　　カッタフェイス
２ａ　カッタビット
２ｂ　回転軸
２ｃ　ロータリーコネクタ
４　　カッタモータ
５　　送泥管
６　　切羽
７　　チャンバ
８　　ピンチバルブ
９　　排泥口
１０　　礫分別装置
１１　　ベルトコンベア
１２　　礫搬出台車
１３　　排泥タンク
１４　　排泥管
１５　　加速度センサ
１５ａ　アンプ
１６ａ　アンプ
１６ｂ　フィルタ
１７　　データ処理装置
１７ａ　波形処理装置
１８　　角度センサ
１９　　データ表示記録装置
【図１】
2004027702.tif 000003
【図２】
2004027702.tif 000004
【図３】
2004027702.tif 000005
【図４】
2004027702.tif 000006
【図５】
2004027702.tif 000007
【図６】
2004027702.tif 000008
【図７】
2004027702.tif 000009