(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
案内ハウジング内において、衝撃質量（３０）が、衝撃位置（Ａ）と後退位置（Ｂ）の間で駆動デバイス（４０）と一緒に移動することができる案内ハウジング（２０）と、前記衝撃位置（Ａ）において、力を前記衝撃質量（３０）から岩盤に伝達する支持体（５０）とを備え、
前記支持体（５０）が、予定の張力で前記岩盤に定置されることが可能な少なくとも１つの空力シリンダー（６１）を有するテンション付与デバイス（６０）が設けられ、
前記案内ハウジングは、その前端に支持体（５０）が形成され、その後端に駆動デバイス（４０）が設けられる直線状の案内管（２０）を備え
前記案内管（２０）は、テンション付与シリンダー（６１）によって、互いに対しテレスコープ状の態様で軸方向に移動することができる内側管（２１）と外側管（２２）とを備える、
岩盤内部に機械的振動を発生するためのデバイス（１０）。
【請求項２】
前記衝撃質量（３０）は、案内ローラー（３１）面を滑動して、前記内側管（２１）内を移動することができ、その後側にピストン（３４）を備えるピストンロッド（３３）を有する請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記駆動デバイス（４０）は、前記衝撃質量（３０）を前記後退位置（Ｂ）に固定する固定ユニット（４１）と、前記外側管（２２）の一方の端部に固定され、前記衝撃質量（３０）の前記ピストン（３４）が移動可能な圧力シリンダー（４２）とを備える請求項１記載のデバイス。
【請求項４】
前記圧力シリンダー（４２）は、前記ピストン（３４）の軸方向位置を測定するための位置センサー（４５）を備える請求項３記載のデバイス。
【請求項５】
前記デバイス（１０）を処理対象である岩盤（７０）に対して固定するための固定エリア（１３）が、前記圧力シリンダー（４２）に設けられる請求項１〜４のいずれか１記載のデバイス。
【請求項６】
トンネル掘削機（１００）に組み込まれる請求項１〜５のいずれか１記載のデバイス。
【請求項７】
下記の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の各ステップを伴う請求項１〜６のいずれか１記載のデバイス（１０）を備える硬い岩盤（７０）内に機械的振動を発生させるための方法。（ａ）前記支持体（５０）が、予定の位置において前記岩盤（７０）に定置されるように前記案内ハウジング（２０）を配置するステップ、（ｂ）少なくとも１つのテンション付与シリンダー（６１）を付勢することによって、前記支持体（５０）を前記岩盤（７０）に対して圧迫するステップ、（ｃ）前記衝撃質量（３０）を前記後退位置（Ｂ）に後退させてクランプするステップ、（ｄ）前記駆動デバイス（４０）内を高圧空気で充填し、前記衝撃質量（３０）が、前記衝撃位置（Ａ）に移動されるように解放するステップ。
【請求項８】
前記衝撃質量（３０）の後退位置は、前記駆動デバイス（４０）の前記圧力シリンダー（４２）内において、前記衝撃質量（３０）と接続する位置センサー（４５）によって、前記ピストン（３４）の位置を見出して調節される請求項７記載の方法。
【請求項９】
振動の発生が山中のトンネルの岩盤内において行われる請求項７または８記載の方法。
【請求項１０】
硬質の岩盤または建設現場または地殻の研究において、機械的な振動を発生させて、地震の試験または山中の岩盤の研究を行うために、請求項１〜６のいずれか１記載のデバイスまたは請求項７〜９のいずれか１記載の方法を使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、岩盤中で機械的振動を発生するデバイス、特に、地震研究のための振動のような地殻内部または建設現場において、地震波や音波を発生するデバイスと、そのようなデバイスを用いて機械的振動を発生する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
調査研究を目的として地殻内部に地震波を発生するための色々と異なる技術が一般に知られている。例を挙げれば、Miller等は、「地球物理」（vol．５７，No．５，pp．３９３）に、振動エネルギーを発生する方法と前記振動エネルギーを地面と連結することを開示する。振動発生技術を別途に概観したものは、ＤＥ２３，３４，９９６号に掲載されている。衝撃様の励起を発生するために、爆破によって音波を発生することがＤＥ２２，０２，２８９号から知られる。ＤＥ１９，５０，９１，２２号からは、振動発生のための液圧衝撃デバイスが知られる。振動発生の別の形態すなわちトリガーによって地震ガスを爆発させることは、ＤＥ１９，５３，９２４号に記載される。これらの諸技術の一般的な不利は、調節可能性と衝撃パラメータの再現性が限られる点である。しかしながら、特に、束の間の過程と発生された地震の振動エネルギーは曖昧にしか知られていないか、全く知られておらず、振動測定の精密な評価もまた限られる。
【０００３】
同時にまた、機械的な衝撃を発生させることも知られており、例えば、地上におけるハンマーショックによってせん断波が発生され（ＤＥ１９，５０，８５，７４号）、また、たて坑開削機における衝撃トランジューサによる大岩石中に地震波が発生され、たて坑開削機の静止中に衝撃の励起が開始される（ＤＥ１９，５０，８５，７４号）。しかしながら、これらのデバイスをもってしても、例えば、トンネル構造物中における地震の試験の要件として充分である再現性を伴って地震振動或いは音波の振動を発生することは不可能である。
【０００４】
衝撃パルスを発生させるために、垂直方向に可動な質量を車両(例えばトラック）に搭載することも知られる。しかしながら、これらの技術は、地上における使用にのみ適切なものであり、大きな質量と垂直な衝撃方向に加え、車両の大きさと操作の容易性に関して不利であるばかりでなく衝撃信号の再現性についても不利である。
【０００５】
可動質量による衝撃の発生における一般的な問題は、可動質量によって固体面に衝撃を付与した後、反動による衝撃が衝撃発生器に作用することである。その結果は、反動による衝撃によって衝撃の励起が偽装されるので、地震測定の評価もまた偽装されることになる。この問題に対処するために、ＤＥ３２  ２４  ６２４号は、このような反動に起因する衝撃を最小限度にとどめるために、質量捕捉デバイスを備える油圧制動機構を伴う可動質量付きの衝撃発生器を記述する。しかしながら、この衝撃発生器は、複雑な構造を特徴とするので、例えば、実際に地下において使用するために応用することが困難である。
【０００６】
R．D．Carollによる〃A  Vacuum  Hammer  Seismic  Source  for  Underground  Use〃という刊行物には、〃Int．J．Rock  Mech．Min．Sci  ＆  Geomemech．Abstr．〃vol．30，No.5，1993，pp．559，からの引用として、圧縮空気の噴出と真空吸着を交互に反復することによって、質量が垂直方向に移動されて、地中に衝撃信号を発生するデバイスが記載される。このデバイスの不利な点は、操作が難しいことと、一方向にしか作用しないことである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の前記の不利益が排除または減少され、岩盤内部において調節可能な所望通りの方向において再現可能な衝撃信号を発生するのに特に適した、機械的振動を発生するための改良されたデバイスを提供することが、この発明の目的の１つである。前記デバイスは、簡単な構造を有し、地下において操作することができ、この場合、反動によって生じる衝撃による擾乱信号が最小化されるとともに、特に、トンネル構築技術に利用が可能な機械およびデバイスと両立する。この発明の目的はまた、そのような改良デバイスを使用することによる振動発生方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、請求項１、請求項９記載のデバイスと方法によってそれぞれ達成される。この発明の有利な具体例と応用例が従属請求項から把握される。
【０００９】
この発明は、案内ハウジング内で移動される衝撃質量によって機械的振動を発生するためにデバイス中に移動質量を備える従来の衝撃発生から出発して、案内ハウジングを、振動の発生の対象とするしかるべき大鉱物塊に対して、予め決められた力の作用下に、空力式緊張デバイスによって固定するという発想に基づく。この緊張デバイスは、従来技術の数点の問題に解決を提供する。第１に、戻り衝撃すなわち反動衝撃の結果としての望ましくない信号波形が防止される。空力式緊張デバイスは、反動衝撃を吸収する。更には、緊張デバイスによって案内ハウジングを物体に対して正確にアライメントすることが、衝撃発生前に調節される。衝撃の方向付けは所望の通りに選択される。最後に、機械的振動を発生するためのこの発明のデバイスは、緊張デバイスを備えるが故に、反動衝撃を減少するための捕捉デバイスを備える従来のデバイスと比較して、比較的簡単な構造を有する。
【００１０】
この発明の別の重要な特徴によれば、衝撃質量は駆動用デバイスによって移動され、このデバイスによって、衝撃発生のエネルギーが再現可能な態様で調節される。この目的で、使用に応じて付勢される位置測定センサーが設けられ、このセンサーによって、衝撃質量のストロークの長さが、後退位置と衝撃位置の間で調節されることが可能である。衝撃質量を前進させるために、駆動ユニットは、空力式シリンダー（空気圧式シリンダー）を備える。ストロークの長さに加えて、衝撃質量の後退位置を調節することによって、圧力シリンダー内の圧力が調節され、したがってまた、機械的衝撃のエネルギーが鉱物塊に伝達される。
【００１１】
発明の一つの主題は、この発明のデバイスを用いて機械的振動を発生する方法であり、この場合、このデバイスは先ず、一定の位置に置かれ、該当する鉱物塊に対してアライメントされ、テンション付与デバイスによって固定される。これに伴って、衝撃質量の一定の後退位置への移動が行われる。衝撃質量は、圧力シリンダー内に所望の作用圧力が形成されるまでこの後退位置に固定される。衝撃質量を後退位置から解放した後、衝撃質量は衝撃位置に前進移動され、この位置において、支持体に衝撃を与え、衝撃すなわち力が衝撃質量から鉱物塊に伝達される。
【００１２】
この発明のデバイスは、特に、硬い地下構造または建設現場（特に、橋、ダム等の大規模建設現場）における衝撃状の振動の発生に好適である。この発明のデバイスは、好ましくは地殻の大深度岩盤内において研究と利用の目的、特に山脈内にトンネルを建設する目的で地震振動を発生するための振動発生器を形成する。
【００１３】
この発明は、次の利点を有する。この発明の振動発生にあっては、システムから承継される、できる限り大きいエネルギーと衝撃パルスが、できる限り小さなエリアを介して地中に導入される必要と、引っ掛かり能力と衝撃信号の再現性のために地面の材料が変化を受けることを避けたいという願望との間の矛盾が最高の態様で解決される。その大きさについて、このデバイスは、手動操作のみならず、地下作業に適切である。
【００１４】
この発明のデバイスは、地上における建設技術のみならず、トンネル建設のための地下の開発という観点において広汎な利用分野を有する。従来技術との比較において、信号発生の再現性は、衝撃ストロークおよび／または衝撃エネルギーを調節することによって有意に増加する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の別の利点と細部を添付図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
この発明は、地震研究のための振動励起器または振動発生器の好ましい具体例に関して以下に説明されるが、一般的には、地震学および／または建設現場において機械的振動を発生させるためのその他の諸デバイスを設計するために類似の態様で利用することができる。以下の説明においては、発明の構成に不可欠の要件だけについて説明を行う。空力式シリンダーおよびしかるべき高圧、低圧の管については当技術分野において周知であるから、説明中には詳細には述べない。
【００１７】
図１、図２は、この発明の振動発生器の外観を示しており、この発生器は、操作中の岩盤に直面する前側に、（図１、２に示す）衝撃トランジューサエリア１２を有し、それと反対の側には、大型のデバイスへの取り付け体（図３）または地下の異種の取り付け体のための固定エリア１３を有する。衝撃トランジューサエリア１２には、衝撃質量３０を案内し、衝撃質量３０に駆動デバイス４０を取り付けるために、案内管によって案内ハウジング２０が形成される。この案内管は、２つの構成部分からなる。それは、それぞれ、衝撃質量３０が移動可能である内側管２１と駆動デバイス４０の部分がその端部に装着される外側管２２とで形成される。この内側、外側管２１、２２は、積極的に拘束し合うように互いに挿入され、軸線方向には互いに対して可動である。
【００１８】
衝撃質量３０は、内側管２１内において、衝撃位置Ａと後退位置Ｂ（図２参照）の間を移動することができる。衝撃質量３０は、案内ローラー３１によって内側管２１内部において調心される。衝撃質量３０の各端部には、その断面形状においてａだけ離間した２つのグループをなして配置されるように４つの案内ローラー３１が備わることが好ましい。しかしながら、案内ローラー３１の数を減らすことも実現可能である。衝撃質量３０の後端３２には、ピストン３４を備えるピストンロッド３３が設けられる。このピストンロッド３３は、ピストン３４が圧力シリンダー４２へ突出して、その内部において移動することができるような長さである。図２においては、ピストンロッド３３は、図面を簡単にするために図示を省略してある。衝撃質量３０の前端には、衝撃部材３５が設けられる。
【００１９】
内側管２１の前端には、支持体５０を装着する端部プレート２３が設けられる。支持体５０は、軸１１の方向には端部プレート２３に消極的に接続され、それ以外のすべての方向には、（摩擦によって）積極的に拘束し合うように設けられる。
【００２０】
例えば、振動発生器１０には、下記のようなディメンジョンが設定される。衝撃質量の重量は約５kgである。間隔ａ（図２参照）は、約１３cmである。ピストン３４の直径は約８cmである。圧力シリンダー４２は、２５cmの作動ストロークを備える４０cmの合計ストロークを有するように設計される。
【００２１】
内側管２１と外側管２２はそれぞれに、横方向の突起２４、２５を備えており、これらの間には、外側管２２の周辺に沿ってテンション付与シリンダー６１が均一な分布をなすように固定される。ただ１つのテンション付与シリンダー６１を設けるだけでも充分であるが、何本かのテンション付与シリンダー、少なくとも３本のシリンダーを設けることが好ましい。加圧シリンダーとしても参照されるテンション付与シリンダー６１を付勢することによって、内側管と外側管２１、２２は、互いに対しテレスコープ状に移動することができる。作動位置において、振動発生器１０は作動対象面に固定され、支持体５０が所望の態様で岩盤の上に設置された後、支持体５０が弾性的に緩衝され、各テンション付与シリンダーは、一定の張力で岩盤（例えば、図４の岩盤７０）と向き合って接するまで圧縮空気が充填される。
【００２２】
衝撃質量３０のための駆動デバイス４０は、外側管２２の後端に設けられる。この駆動デバイス４０は、固定ユニット４１と圧力シリンダー４２とからなる。この発明の好ましい具体例によれば、固定ユニット４１は、フランジ接続部４３によって外側管に別体に嵌合される圧力シリンダー４２に固定される。更に、圧力シリンダー４２用の外側保護管すなわち固定管４４が設けられる。
【００２３】
固定ユニット４１は、空力的に作動されるクランプデバイスである。固定ユニット４１は、ピストンロッド３３にバネ力で接するクランプジョーを備えており、作動圧力で固定ユニットに負荷をかけるとき、前記のジョーは空力的に互いに分離されるので、ピストンロッド３３は軸方向に自由に移動することができる。したがって、固定ユニット４１は、２つの状態の間で切り換えられる。外気との通気状態では、固定位置が実現され、この場合は、（図示されない）クランプジョーがピストンロッド３３を固定する。圧力付与の状態では、レリース状態が実現され、この場合は、衝撃質量３０を伴うピストンロッドは、圧力シリンダー４２内の高圧または低圧の状態に応じて、衝撃位置Ａから後退位置Ｂへと移動される。位置Ｂから位置Ａへの移動も同様である。
【００２４】
参照番号４５は、無接点位置センサーを表し、圧力シリンダー４２内部におけるピストン３４の前記センサーの軸方向位置に対する移動量を測定するために設計される。この位置センサー４５は、好ましくは、ピストン３４内に挿入されたリング状磁石と協働するソレノイドスイッチである。したがって、固定ユニット４１は、ピストンで直接的に切り換えられる。固定ユニット４５は、ピストンセンサー４５の信号に基づいて切り換えられる。位置センサー４５は、軸方向に滑動可能に設けられるので、衝撃質量３０の異なる後退位置Ｂを調節することができる。圧力シリンダー４２の前端、すなわち、案内ハウジングの側における調節の場合は、衝撃質量３０の小さな作動ストローク、したがって、最小の衝撃エネルギーが得られる結果となる。更にもっと後方へと調節すれば、作動ストロークと衝撃質量３０のエネルギーは増大する。
【００２５】
振動発生器１０は、下記の作動過程にしたがって作動される。先ず最初に、衝撃ヘッドすなわち案内ハウジング２０が、岩盤の中の所望の位置にしたがって手動で調節されるように、大きなデバイス、つまり固定デバイスすなわち別体のホルダーの重心のエリアに固定される。この調節は、手動で行う代わりに、自動的に行うことも可能である。これに付随して、テンション付与シリンダー６１が高圧空気で充填されるので、内側管２１が外側管２２から岩盤に向かって移動される。付与のし方によっては、予め決めたテンションの大きさ（例えば１５００Ｎ）が、保持体５０が岩と向き合って接するように調節される。これに伴って、衝撃質量３０が、位置センサー４５が所望の位置に調節された後、オプションによって、やはり接触位置にある衝撃位置Ａから後退位置Ｂに後退される。ピストン３４が位置センサー４５の位置に到達するや否や、固定ユニット４１が大気に連通し、クランプジョーがピストンロッド３３をグリップする。
【００２６】
更に、圧力シリンダー４２は圧縮空気で充填される。位置センサーの位置が、所望の衝撃エネルギーとなるように、最高圧力が調節される。最高圧力は、例えば、約０．８ＭＰａである。圧力シリンダー内が必要な圧力に到達するや否や、固定ユニット４１内の空力シリンダー４１が大気圧と連通され、クランプジョーの解放が付勢される。これに付随して、ピストンおよびピストンと一緒に衝撃質量３０が衝撃位置Ａに向かって高速で加速される。衝撃質量３０は、位置Ａにおいて、衝撃部材３５と支持体５０を介して、そのエネルギーを励起の対象である地面に伝達する。その結果地中に発生するであろう反動による衝撃が、支持体５０を介して反対方向に伝達され、内側管２１とテンション付与シリンダー６１内部において前記反動による衝撃が吸収される。
【００２７】
図３においては、トンネル掘削機（ＨＣＭ）１００が図示されており、機械的振動を発生するこの発明のデバイスと一緒に有利に使用される。トンネル掘削機１００は、岩盤７０に掘削を施して前進する。トンネル掘削機の支持部分１１０は岩盤７０に対し、横方向支持部材１２０によって支持される。実際の掘削作用はカッターヘッド１３０において起こる。地震試験のタイプ、例えば、横方向の研究または前方向の研究かに応じて、そして、ＨＣＭ１００の構造に応じて、少なくとも１つの振動発生器をカッターヘッド１３０の後方の（鎧装）面に直接設けるか、或いは、支持部材１２０の１つに設けるかが、独自の工夫で示唆される。
【００２８】
この発明の振動発生器１０の手動による操作が図４に示される。振動発生器１０は、例えば、岩盤７０を貫通して延出する山中の中空部に設置される。駆動デバイス４０を備える案内管２２は、それが、別体の三角柱１８に対して、長手方向位置（ΔＬ）およびその高さ位置（ΔＨ）について調節できるだけでなく、（Δφ度）だけ回動することができるようにシステムの重心エリアに固定される。これに付随して、固定エリア１３が２段階に亘って、手動調節が可能な位置に適合される。第１のステップにおいては、必要な長さに連続的に調節することができる孔配列体によっておよその調節とロックを行い、ロックボルト１５の鎖錠が実行される。次に、取り付け部１６がネジ山と調節ナット１７によって固定される。これに伴って、振動発生器１０へのテンションの付与とトリガーが上に説明した態様で惹起される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の振動発生器の案内ハウジングの断面図。
【図２】図１の発生器の衝撃ヘッドの拡大断面図。
【図３】この発明の振動発生器と共用するように設計されたトンネル掘削の概略図。
【図４】地下用途の別体の移動性ホルダーに装着したこの発明の振動発生器の概略的俯瞰図。
【符号の説明】
１０…振動発生器，１３…固定エリア，２０…案内ハウジング，２１…内側管，２２…外側管，３０…衝撃質量，３４…ピストン，４０…駆動デバイス，４２…圧力シリンダー，４５…位置センサー，５０…支持体，６１…テンション付与シリンダー，７０…岩盤，１００…トンネル掘削機。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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