(57)【要約】【課題】地山の任意の方向における地質の探査を行うことができるとともに、摩耗や損壊が生じにくい地質探査装置を備えたトンネル掘削機を提供する。【解決手段】トンネル掘削機本体１と、地質探査装置４と、を備え、トンネル掘削機本体１は、外周面に刃を有するとともに、地山内を掘削する回転体３と、回転体３の軸線Ｏ方向に延びるとともに、回転体３を支持する鋼殻２と、を有し、地質探査装置４は、電流電極７ａ，７ｂと電圧電極７ｃ，７ｄと、これら電極７を保持する基部７ｅと、を有し、鋼殻２の周方向に沿って配列された複数の比抵抗センサ５と、電流電極７ａ，７ｂに電流を流す通電装置１１と、電圧電極７ｃ，７ｄの電圧と電流電極７ａ，７ｂの電流を計測して比抵抗を演算する演算装置１２とを有する。【選択図】図１
2016000939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山を掘削するトンネル掘削機本体と、
地質を探査する地質探査装置と、
を備え、
前記トンネル掘削機本体は、外周面に刃を有するとともに、地山に挿入されて該地山内を掘削する回転体と、前記回転体の軸線と同一の方向に延びるとともに、前記回転体を前記軸線回りに回転可能に支持する鋼殻と、を有し、
前記地質探査装置は、電流電極と電圧電極と、これら電極を保持する基部と、を有し、前記鋼殻の周方向に沿って配列されて該地山の比抵抗を計測する複数の比抵抗センサと、前記電流電極に電流を流す通電装置と、前記電圧電極の電圧と前記電流電極の電流を計測して比抵抗を演算する演算装置と、を有するトンネル掘削機。
【請求項２】
前記比抵抗センサは、前記軸線に対する前記比抵抗センサの径方向外周側の面である走査面が、前記軸線側に寄った位置になるように配置されている請求項１に記載のトンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘削機に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルの掘削を効率的に進めるためには、掘削作業に先立って施工領域における障害物の有無や、地質の探査を行うことが肝要である。
そのような要請に応えるための技術として、例えば特許文献１、特許文献２に記載されたものが知られている。
特許文献１、又は２に記載された技術は、いずれも一対の電流電極と一対の電圧電極を備えた比抵抗センサをトンネル掘削機（シールド掘進機やトンネルボーリングマシン等）に搭載したもので、地山の比抵抗を測定することによってその状況を探査し把握するものである。
【０００３】
大断面トンネル等の大規模な地中空洞を施工するための工法として、地中空洞の施工方法（いわゆるＳＲ−ＪＰ工法（登録商標））が提案されている。
これは、大断面トンネルの掘削に先立って、先受工としての多数の小断面のルーフシールドトンネルを、間隔をおいて先行施工し、それらルーフシールドトンネル内からの作業により隣り合うルーフシールドトンネル間の地山を掘削してそこに本設覆工壁を施工し、しかる後に本設覆工壁の内側を掘削して大断面トンネルを構築することを主眼とするものである。
【０００４】
上記のＳＲ−ＪＰ工法においては、隣り合うルーフシールドトンネル間を掘削するに際してその掘削領域を凍結工法や薬液注入工法等の補助工法により地盤改良を行う必要があるが、地質に応じた最適な補助工法の選択や施工範囲を最適に設定するためにはルーフシールドトンネル間の地山状況を予め正確に把握することが必要となる。
特に、土丹層中に介在砂層が点在しているような地山では介在砂層に対して止水のための薬液注入を確実に行う必要があるので、ルーフシールドトンネル間を掘削するに先立ってルーフシールドトンネルの周囲地山を全周かつ全長にわたって十分に探査して介在砂層の位置や状況を高精度で把握することが必要である。
【０００５】
従来においてはそのような砂層探査は地表からのボーリング調査により行うことが通常であったが、大深度かつ大断面トンネルの施工に際して地表からボーリング調査を行うことは多大の手間と費用を必要とするばかりでなく高精度の探査は困難でもあるので、そのようなことは現実的ではない。
そのため、ボーリング調査によることに代えて特許文献１や特許文献２に示されるような比抵抗センサを用いた探査手法の採用が検討され、ルーフシールドトンネルを掘削しながらその周囲地山の状況を比抵抗センサにより探査することが考えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開平２−１４０３５０号公報
【特許文献２】特開平１０−２２０１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に示される手法ではトンネルを掘削しながらその切羽前方の地山の土質探査は可能であるもののトンネルの側方地山の土質は探査し得ないし、特許文献２に示される手法では側方地山の探査は可能であるもののその探査可能範囲は比抵抗センサの設置位置周辺の限定された領域だけであり、したがってそれら従来の手法によることではルーフシールドトンネルの全長かつ全周にわたる地山状況を把握することはできるものではない。
【０００８】
以上のように、特許文献１や特許文献２に示される従来の探査手法では広範囲にわたる地山探査は困難であって、大規模トンネルを上記のＳＲ−ＪＰ工法のような特殊な工法により構築するような場合には必ずしも有効に適用し得ないことから、それを可能とする有効適切な手段の開発が求められているのが実状である。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、地山の任意の方向における地質の探査を行うことができるとともに、摩耗や損壊が生じにくい地質探査装置を備えたトンネル掘削機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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明の一の態様によれば、トンネル掘削機は、地山を掘削するトンネル掘削機本体と、地質を探査する地質探査装置と、を備え、前記トンネル掘削機本体は、外周面に刃を有するとともに、地山に挿入されて該地山内を掘削する回転体と、前記回転体の軸線と同一の方向に延びるとともに、前記回転体を前記軸線回りに回転可能に支持する鋼殻と、を有し、前記地質探査装置は、電流電極と電圧電極と、これら電極を保持する基部と、を有し、前記鋼殻の周方向に沿って配列されて該地山の比抵抗を計測する複数の比抵抗センサと、前記電流電極に電流を流す通電装置と、前記電圧電極の電圧と前記電流電極の電流を計測して比抵抗を演算する演算装置と、を有する。
【００１１】
このようなトンネル掘削機では、複数の比抵抗センサが鋼殻の外周に沿って配列されている。これにより、鋼殻の外周面に沿う任意の方向における地山の地質を複数の比抵抗センサによって探査することができる。
【００１２】
さらに、本発明の一の態様によれば、前記比抵抗センサは、前記軸線に対する前記比抵抗センサの径方向外周側の面である走査面が、前記軸線側に寄った位置になるように配置されている。
【００１３】
このようなトンネル掘削機では、比抵抗センサの走査面が、鋼殻の外周面よりも軸線側に寄った位置になるように配置されている。これにより、トンネル掘削機の進行に伴って走査面が地山に摺接することによって生じる地質探査装置の摩耗や損壊を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、地山の任意の方向における地質の探査を行うことができるとともに、摩耗や損壊が生じにくい地質探査装置を備えたトンネル掘削機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るトンネル掘削機の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るトンネル掘削機の他の構成例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係る比抵抗センサの構成例を示す図である
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態であるトンネル掘削機１０の概略構成を図１に示す。
トンネル掘削機１０は、ＳＲ−ＪＰ工法において小断面のルーフシールドトンネルを掘削するとともに、掘削に伴ってその周囲地山の地質探査を行う。
トンネル掘削機１０は、ルーフシールドトンネルを掘削するためのベースマシンであるトンネル掘削機本体１と、トンネル掘削機本体１に搭載されて、地山の比抵抗を計測する地質探査装置４と、を備えている。
【００１７】
トンネル掘削機本体１は、円柱形状をなす鋼殻２と、鋼殻２の軸線方向の一方側に配置された回転カッタ３（回転体３）と、を備えている。
トンネル掘削機本体１は、回転カッタ３を回転させて切羽を掘削しつつ、鋼殻２内の推進ジャッキ（図示略）によりその後方に組み立てたセグメント（図示略）から反力を取って掘進してルーフシールドトンネルを構築する。
【００１８】
鋼殻２は、トンネル掘削機本体１の外郭を形成する部材であって、軸線Ｏを中心として概ね円柱状をなしている。鋼殻２の外径寸法は、所望のトンネルの径に応じて適宜設計される。
【００１９】
回転カッタ３は、鋼殻２と概ね同一の径寸法を有するとともに、鋼殻２とその軸線Ｏを同一にしている。さらに、回転カッタ３は、鋼殻２によって軸線回りに回転可能に支持されている。回転カッタ３は、外周部、及び前面にカッタ（刃）を備えている。回転カッタ３の回転に伴ってこの刃も回転することで、地山を掘進することが可能とされている。
【００２０】
地質探査装置４は、鋼殻２の外周部で周方向に沿って互いに間隔を開けて複数設けられた比抵抗センサ５と、比抵抗センサ５に対して電流を流す通電装置１１と、比抵抗センサ５の計測値に応じて演算を行うことで地山の比抵抗を算出する演算装置１２と、を備えている。
さらに、それぞれの比抵抗センサ５は、トンネル掘削機本体１の軸線方向に沿って直線状に配列された４つの電極７（図示例では両側の２つの電流電極７ａ、７ｂと、中央側で隣接する２つの電圧電極７ｃ、７ｄ）と、電極７を一体に保持する基部７ｅと、を備えている。トンネル掘削機本体１の軸線方向から見て、これら４つの電極７の先端部は、鋼殻２の外周面から軸線側に寄った位置に配置されている。
【００２１】
比抵抗センサ５における電極７（電流電極７ａ，７ｂと、電圧電極７ｃ，７ｄ）は、図４に示すようにそれぞれ棒状に形成されている。各電極７はいずれも絶縁性で耐摩耗性を有する合成樹脂性の成形体である基部７ｅに一体的に埋め込まれている。各電極７の基端部にはリード線９が接続されており、各電極７の先端部は走査面６とほぼ面一になっている。なお、この走査面６は、軸線Ｏに対する比抵抗センサ５の径方向外周側の面である。さらに、走査面６は、鋼殻２の外周面に対して、軸線Ｏ側に寄った位置に設けられている。
【００２２】
また、それぞれの電極７には、基部７ｅとの一体性を高めるため、その長さ方向の中間位置に長さ方向に交差する方向に突出する突出部８が複数設けられている。なお、電極７は突出部８を設けたものに限らず、他の形状、たとえば棒状のものでもよい。その場合は、比抵抗センサ５の製作がより簡略化される。
【００２３】
比抵抗センサ５の概略寸法は軸線方向寸法Ｂ＝５ｃｍ程度、周方向寸法Ｌ＝１０ｃｍ程度、径方向寸法Ｈ＝５ｃｍ程度で、それぞれの比抵抗センサ５間の相互間隔寸法ｄ＝２ｃｍ程度としている。但し、これらの寸法はあくまで一例に過ぎない。
【００２４】
通電装置１１と演算装置１２とは、それぞれ比抵抗センサ５に電気的に接続されている。通電装置１１によって電流電極７ａ、７ｂに対して所定の電流を流した際における電圧が電圧電極７ｃ、７ｄで計測される。演算装置１２は、それらの計測値から地山の比抵抗を演算し、それに基づき地山の状況を探査する。
【００２５】
このように、本実施形態のトンネル掘削機１０によれば、ベースマシンとしてのトンネル掘削機本体１によりルーフシールドトンネルを構築しつつその周囲地山に対する地質探査を全周かつ全長にわたって容易に行うことが可能であるから、たとえば土丹層における介在砂層の位置や範囲を高精度で探査することが可能である。
【００２６】
したがって、後段においてルーフシールドトンネル間を掘削するに先立って実施する薬液注入工法等の補助工法の選択や、補助工法の施工範囲や具体的な工程を最適に決定することが可能となり、その際の施工安全性や確実性をさらに向上させることができ、コストダウンにも寄与し得るものとなる。
【００２７】
加えて、このようなトンネル掘削機１０では、複数の比抵抗センサ５が鋼殻２の外周に沿って配列されている。これにより、鋼殻２の軸線Ｏを基準とする放射方向の各方向における地山の地質を複数の地質探査装置４によって探査することができる。
【００２８】
さらに、前述のように地質探査装置４（比抵抗センサ５）の基部７ｅにおける走査面６が、鋼殻２の外周面よりも軸線Ｏ側に寄った位置に設けられている。これにより、トンネル掘削機１０を例えばシールドマシン等のトンネル掘削機本体１に適用した場合に、トンネル掘削機本体１の進行に伴って走査面６が地山に摺接することによって生じる地質探査装置４の摩耗や損壊を抑制することができる。
【００２９】
以上、本発明の好ましい実施形態、実施例について説明したが、これらの実施形態、実施例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能である。
【００３０】
例えば、上記実施形態では地質探査装置４の各比抵抗センサ５を回転カッタ３の周方向（回転方向）に沿うように配列した。しかしながら、比抵抗センサ５の配列は、これに限定されず、図２に示すように各比抵抗センサ５をトンネル軸方向（回転カッタ３の外周端面の母線方向）に沿うように配列されていても良い。
【００３１】
上記実施形態はＳＲ−ＪＰ工法においてルーフシールドトンネルを施工する際にその周囲地山を探査する場合の適用例であるので、ルーフシールドトンネルを掘削するためのトンネル掘削機本体（シールド掘削機）１を地質探査装置４を設置するためのベースマシンとした。しかしながら、ベースマシンとしては前面に回転カッタ３を備えてその外周端面に比抵抗センサ５を装着可能なものであれば良く、その限りにおいてシールド掘削機に限らず各種のトンネル掘削機に採用可能である。
【００３２】
さらに、本発明の地質探査装置４は、上記実施形態のようにトンネル掘削時における地山探査を目的として各種の掘削機をベースマシンとすることに限るものでもなく、各種分野において様々な目的で地質探査を行う場合全般に広く適用可能なものであって、本発明の地質探査装置の具体的な構成はその目的や使用状況に応じて様々に変更可能である。
【００３３】
例えば、本発明の地質探査装置４を地表部からボーリング調査を行うためのボーリングマシンをベースマシンとして適用して、そのドリルやオーガーを回転体として利用することも考えられる。
【符号の説明】
【００３４】
１  トンネル掘削機本体（ベースマシン）
２  鋼殻
３  回転カッタ（回転体）
４  地質探査装置
５  比抵抗センサ
６  走査面
７  電極  
７ａ、７ｂ  電流電極
７ｃ、７ｄ  電圧電極
７ｅ  基部
８  突出部
９  リード線
１０  トンネル掘削機
１１  通電装置
１２  演算装置
【図１】
2016000939.tif 000003
【図２】
2016000939.tif 000004
【図３】
2016000939.tif 000005