JP7635452B1 - 地山探査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地山の状態を正確に探査する。
【解決手段】地山探査装置は、トンネル掘削機１００に設置されて地山の強度を探査するための地山探査装置４０であって、前記トンネル掘削機の内部に設けられた探査装置本体と、前記探査装置本体に対して出没可能であり、前記トンネル掘削機の外周部から外部に突出可能なロッドと、前記探査装置本体からの前記ロッドの押出力を調整する調整装置と、前記調整装置により調整された第１の押出力により前記ロッドを突出させた後に、前記調整装置により調整され、前記第１の押出力より大きな第２の押出力により前記ロッドを突出させる制御装置と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、地山探査装置に関する。

シールド工法では、シールド機の進行方向前方又はシールド機直上の地山情報を取得しながらトンネルを掘削する。従来、切羽近傍の複数箇所の地山情報を取得し、それら複数の地山情報に基づいて地山の安定度を判定する探査システムが知られている（例えば、特許文献１等参照）。

特許文献１に記載の技術によれば、シールド機の上部に設置された上部探査装置、シールド機の内部に設置された前方探査装置、及びカッタヘッドに設置された切削抵抗検出装置それぞれの測定結果に基づいて地山の安定度を判定する。また、上部探査装置は、シールド機の外殻から出没可能で、シールド機の上方に位置する地山に貫入することができ、地山への貫入圧力及び貫入量を測定するものである。

特開２０１１－１９６０６８号公報

しかしながら、上記特許文献１の上部探査装置は、シールド機と地山の間における空洞の有無を検出することができず、また、地山が軟弱な場合、上部探査装置のロッドが地山に貫入する際に圧力が発生せず、ロッドが停止しないことがあり、貫入圧力や貫入量を正確に計測できない可能性がある。

そこで、本発明は、地山の状態を正確に探査することができる地山探査装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の地山探査装置は、トンネル掘削機に設置されて地山の強度を探査するための地山探査装置であって、前記トンネル掘削機の内部に設けられた探査装置本体と、前記探査装置本体に対して出没可能であり、前記トンネル掘削機の外周部から外部に突出可能なロッドと、前記探査装置本体からの前記ロッドの押出力を調整する調整装置と、前記調整装置により調整された第１押出力により前記ロッドを突出させた後に、前記調整装置により調整され、前記第１押出力より大きな第２の押出力により前記ロッドを突出させる制御装置と、を備える。

本発明の第２の地山探査装置は、トンネル掘削機に設置されて地山の強度を探査するための地山探査装置であって、前記トンネル掘削機に設けられ、前記地山の空隙量及び前記地山の安定度の少なくとも一方を測定する測定装置と、前記測定装置を前記トンネル掘削機に対して移動させる移動装置と、前記移動装置を制御して、前記トンネル掘削機と同一速度で前記トンネル掘削機とは反対の方向に前記測定装置を移動させる制御装置と、を備える。

本発明の地山探査装置によれば、地山の状態を正確に探査することができる。

図１は、第１の実施形態に係るトンネル掘削機の概略構成を示す断面図である。 図２は、カッタヘッドを＋Ｘ方向から見た状態を示す図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）は、地山探査装置及びその近傍を拡大して、一部断面して示す図である。 図４は、第１の実施形態に係るトンネル掘削機の制御系を示すブロック図である。 図５（ａ）は、ボーリングデータテーブルを示す図であり、図５（ｂ）は、押出力テーブルを示す図であり、図５（ｃ）は、図５（ａ）の各地点について説明するための図である。 図６は、トンネル掘削機の動作について示すフローチャート（その１）である。 図７は、トンネル掘削機の動作について示すフローチャート（その２）である。 図８（ａ）、図８（ｂ）は、トンネル掘削機を用いた１セグメント分の掘進について説明するための図（その１）である。 図９は、トンネル掘削機を用いた１セグメント分の掘進について説明するための図（その２）である。 図１０（ａ）は、通常の空隙を示す図であり、図１０（ｂ）は、通常の空隙よりも大きい空洞の例を示す図である。 図１１は、第１の実施形態の変形例に係る制御系を示すブロック図である。 図１２（ａ）は、第２の実施形態に係る第１の地山探査装置を示す図であり、図１２（ｂ）は、第２の実施形態に係る第２の地山探査装置を示す図である。 図１３は、第３の実施形態に係る地山探査装置及びＸ駆動機構を示す図である。 図１４（ａ）、図１４（ｂ）は、図１３の地山探査装置を用いた処理を説明するための図である。 図１５は、第３の実施形態の変形例を示す図である。

《第１実施形態》
以下、地山探査装置を備えるトンネル掘削機の第１実施形態について、図１～図１０に基づいて詳細に説明する。

図１は、第１の実施形態に係るトンネル掘削機１００の概略構成を示す断面図である。なお、図１においては、図面の錯綜を避けるため、断面を示すハッチングを省略している。本第１の実施形態においては、トンネル掘削機１００がシールド工法において用いられるシールド掘進機である場合について説明する。

トンネル掘削機１００は、地中（地山）を掘進して掘削坑２０４を形成し、掘削坑２０４の内壁を覆うようにセグメントリング２０２を組み立てることによって、シールドトンネルＴＬ（トンネル）を構築するものである。なお、トンネル掘削機１００は、シールド掘進機以外、例えば、推進工法において推進管の先端に設置される掘削機であってもよい。

本第１の実施形態では、トンネル掘削機１００が進む方向（切羽側、前方）を＋Ｘ方向とし、坑口側（後方）を－Ｘ方向とする。また、トンネル掘削機１００の左右方向をＹ軸方向とし、進行方向左側を＋Ｙ方向、進行方向右側を－Ｙ方向とする。更に、トンネル掘削機１００の上下方向をＺ軸方向とし、上方向を＋Ｚ方向、下方向を－Ｚ方向とする。

トンネル掘削機１００は、泥土圧シールド工法に用いられる泥土圧式シールド掘進機であり、図１に示すように、円筒状の胴部１０を備える。胴部１０は、シールドトンネルＴＬの軸方向（図１のＸ軸方向）に沿って延在する円筒状の外殻１１と、外殻１１の前方において回転駆動されるカッタヘッド２０と、外殻１１内に設けられ、カッタヘッド２０の－Ｘ側に対向して配置された隔壁１２と、を有する。なお、外殻１１の断面形状は円形に限定されず、楕円状や矩形であってもよい。

カッタヘッド２０は、外殻１１の外径と略等しい大きさの外径を有する円盤状の構造体である。図２には、カッタヘッド２０を＋Ｘ方向から見た状態が示されている。カッタヘッド２０は、回転軸ＡＸ１を中心として放射状に延びるスポーク部２１と、円環状のリング部２２と、スポーク部２１の＋Ｘ側の面に径方向に所定の間隔をあけて配置された複数のカッタビット２４と、を有する。なお、複数のカッタビット２４の配置は一例である。また、スポーク部２１には、複数種類のカッタビットが設けられてもよい。

カッタヘッド２０においては、隣り合うスポーク部２１間に開口部２５が形成されている。複数のカッタビット２４によって掘削された土砂は、スポーク部２１間の開口部２５を通じて、カッタヘッド２０、隔壁１２及び外殻１１により区画されているチャンバＣＢ（図１参照）内へと導かれる。なお、不図示ではあるが、スポーク部２１や隔壁１２には、チャンバＣＢ内に滞留した掘削土砂を撹拌するための部材（撹拌棒など）が設けられている。

隔壁１２には、図１に示すように、カッタヘッド２０と共に回転する円環状のカッタードラム１３が回転自在に支持されている。

カッタードラム１３は、回転軸ＡＸ１を中心として、複数のモータ１４によって回転駆動される。モータ１４は、電動モータであってもよいし、油圧モータであってもよい。図４の制御装置９０は、モータ１４の作動を制御することによって、カッタヘッド２０の回転方向や回転速度を制御する。

トンネル掘削機１００の外殻１１内には、チャンバＣＢ内に滞留した掘削土砂をトンネル掘削機１００の後方へと搬出するためのスクリューコンベヤ３０が設けられている。スクリューコンベヤ３０は、円筒状のケースと、ケース内部に設けられたスクリューと、を有し、スクリューの回転によってチャンバＣＢ内の掘削土砂が隔壁１２の後方へ搬出されるようになっている。スクリューコンベヤ３０によって後方へ搬出された掘削土砂は、不図示の土砂運搬台車により、シールドトンネルＴＬ内を搬送され、地上に排出されるようになっている。なお、土砂運搬台車を用いずに、ベルトコンベヤやスクリューコンベヤなどのコンベアや、圧送ポンプなどを組み合わせた排土システムを用いて、掘削土砂を地上に搬出するようにしてもよい。

また、外殻１１内には、セグメントリング２０２を組み立てるエレクタ３３と、トンネル掘削機１００を前進させる複数のシールドジャッキ３４と、カッタヘッド２０により掘削された掘削坑２０４の内周面とセグメントリング２０２の外周面との間に裏込め材（グラウト材）を注入する第１の裏込め注入装置３５と、セグメントリング２０２の形状を保持する真円保持装置３７と、これらの装置を支持する支持部３２と、が設けられている。なお、真円保持装置３７は、省略してもよい。

エレクタ３３は、円弧形状のセグメントピース２０６を把持可能であるとともに、外殻１１の内周面に沿って移動可能となっている。エレクタ３３によって複数のセグメントピース２０６が外殻１１の内周面に沿って組み立てられることにより、円筒状のセグメントリング２０２が構築される。

外殻１１の内周面には、外殻１１とセグメントリング２０２との間の隙間をシールする環状のテールシール１１ａが設けられている。テールシール１１ａは、外殻１１とセグメントリング２０２との間を介して土砂や水がトンネル掘削機１００内に侵入することを防止する。

第１の裏込め注入装置３５は、注入管３６を介して、テールシール１１ａ後方の隙間（掘削坑２０４とセグメントリング２０２との間）に裏込め材を注入する。なお、注入管３６は、外殻１１の外周部に所定間隔で設けられているため、裏込め材は、掘削坑２０４とセグメントリング２０２との間の全域にわたって充填されるようになっている。なお、第１の裏込め注入装置３５を、セグメントリング２０２の内周面に設けてもよい。この場合、第１の裏込め注入装置３５は、セグメントリング２０２の図示しない開口部を介して、テールシール１１ａ後方の隙間に裏込め材を注入する。

シールドジャッキ３４は、シリンダとロッドとを有する油圧ジャッキであり、外殻１１の内側に周方向に所定の間隔をあけて複数設けられている（図１では１つのシールドジャッキ３４のみを図示している）。シールドジャッキ３４のシリンダから突出したロッドの先端部（－Ｘ端部）をセグメントリング２０２の側面（＋Ｘ端面）に当接させた状態でシールドジャッキ３４を伸長作動させることによってセグメントリング２０２から得られる反力により、カッタヘッド２０は地山に押し付けられる。このように、トンネル掘削機１００は、シールドジャッキ３４が既設のセグメントリング２０２を押圧することで得られる反力を、前方へ掘進するための推進力としている。

なお、本第１の実施形態においては、外殻１１が、１つの円筒状部材により構成されているが、２つの円筒状部材（前胴部と後胴部）により構成され、前胴部と後胴部との間が屈曲可能に連結されていてもよい。

なお、トンネル掘削機１００の後方には、トンネル掘削機１００の掘進に追従して移動する後続台車が配置される。後続台車は、トンネル掘削機１００の作動を制御する制御装置やトンネル掘削機１００に電力を供給する電源装置、シールドトンネルＴＬを構築するための装置を運搬するためのものである。

トンネル掘削機１００は、カッタヘッド２０を回転し、スクリューコンベヤ３０により土砂を搬出し、シールドジャッキ３４を伸長させて地山を掘進する。地山には掘削坑２０４が掘削されるとともに、掘削坑２０４の内周面に沿ってセグメントリング２０２が順次組み立てられることによってシールドトンネルＴＬが構築される。掘削坑２０４の内周面とセグメントリング２０２の外周面との間に生じる間隙には、第１の裏込め注入装置３５により裏込め材（グラウト材）が注入され、セグメントリング２０２は裏込め材を介して地山に強固に結合された状態となる。

ここで、本第１の実施形態においては、トンネル掘削機１００の前端部（＋Ｘ側の端部）の、カッタヘッド２０の近傍であって、隔壁１２の－Ｘ側に、地山探査装置４０が設けられている。また、地山探査装置４０の近傍（図１では－Ｘ側近傍）には、第２の裏込め注入装置４２が設けられている。

図３（ａ）、図３（ｂ）は、地山探査装置４０及びその近傍を拡大して、一部断面して示す図である。地山探査装置４０は、図３（ａ）に示すように、探査装置本体としてのシリンダ５２と、ロッド５４と、を有する。シリンダ５２は、＋Ｚ側の端部に設けられたフランジ部１５２を介して外殻１１の内周面に固定されており、ロッド５４を外殻１１の外周部から外部に突出させる。なお、シリンダ５２は、フランジ部１５２を介して外殻１１に固定されなくてもよい。例えば、シリンダ５２は、ねじ込み式で外殻１１に固定されてもよい。ロッド５４の押出力は、調整装置５８（図４参照）によって無段階で調整される。調整装置５８は、図４の制御装置９０により制御される。

地山探査装置４０には、ストローク計５６が設けられている。ストローク計５６は、直線変位計であり、ロッド５４のストローク量（突出量）を計測し、計測結果を制御装置９０に対して出力する。

本第１の実施形態では、地山探査装置４０においてロッド５４の押出力を第１の押出力（例えば１Ｎ程度の弱い押出力）に設定し、ロッド５４を図３（ｂ）に示すように＋Ｚ方向に突出させる。これにより、ロッド５４が＋Ｚ方向に移動した場合には、ロッド５４の上方（地山との間）に空隙があることが分かる。また、ロッド５４の移動が停止したときにストローク計５６によって計測されるストローク量は、空隙の深さ（空隙量）を意味する。

また、地山探査装置４０において、ロッド５４の押出力を第１の押出力から徐々に大きくすると、所定の押出力になったときに、ロッド５４が移動を開始する。このロッド５４の移動が開始した時点の押出力（第２の押出力）から、地山の安定度（地山強度）が分かる。

したがって、図４の制御装置９０は、地山探査装置４０の動作によって得られる情報（押出力やストローク量）に基づいて、地山に空隙（空洞）があるか否かや、空洞の深さ、地山の安定度（地山強度）を特定することができる。

図１に戻り、第２の裏込め注入装置４２は、地山の沈下を抑制するための薬液（裏込め材）を地山に対して供給する装置である。薬液は、例えば第１の裏込め注入装置３５が注入する裏込め材（グラウト材）と同一であってもよいし、その他の薬液であってもよい。図４の制御装置９０は、地山探査装置４０の特定結果に基づいて、第２の裏込め注入装置４２を制御する。また、制御装置９０は、地山探査装置４０の特定結果に基づいて、第１の裏込め注入装置３５を制御する。なお、制御装置９０による制御の詳細については後述する。

なお、図１においては、１つの地山探査装置４０と、その地山探査装置４０の近傍に設けられた第２の裏込め注入装置４２と、を図示しているが、実際には、地山探査装置４０は、外殻１１の内周面に沿って所定間隔で複数設けられてもよい。また、第２の裏込め注入装置４２は、複数の地山探査装置４０それぞれの近傍に対し薬液を供給できるようになっている。

図４は、第１の実施形態に係るトンネル掘削機１００の制御系を示すブロック図である。図４に示すように、トンネル掘削機１００においては、制御装置９０が、各部の動作を統括的に制御する。制御装置９０には、メモリ９２が接続されており、メモリ９２には、図５（ａ）に示すようなボーリングデータテーブルと、図５（ｂ）に示すような押出力テーブルが格納されている。

図５（ａ）のボーリングデータテーブルには、「地点Ｎｏ．」と、各地点の「発進立坑からの距離」と、各地点の「深さＤ（ｍ）における地山強度（Ｎ値）」とが、関連付けて格納されている。各地点は、図５（ｃ）に示すように、シールドトンネルＴＬの延伸方向に沿って発進立坑から所定距離（例えば、１つのセグメントピース２０６の幅程度の距離）ずつ離れた地点である。深さＤ（ｍ）におけるＮ値は、事前に行われたボーリングにより計測された各地点（深さＤ（ｍ））のＮ値である。Ｎ値が大きいほど、土が締まっており地盤が強いと言える。

図５（ｂ）の押出力テーブルは、地山探査装置４０のロッド５４を地山に押し付けた状態からロッド５４の押出力を徐々に上げていき、ロッド５４の押出力がどの程度になったときにロッド５４が動き出すか（ロッド５４が地山に入り込むか）を、地山強度（Ｎ値）毎に示すテーブルである。Ｎ値が大きいほど土が締まっており、地盤が強いため、Ｎ値が大きいほどロッド５４が動き始める押出力は大きい。なお、押出力テーブルは、事前に行った実験の結果に基づいて作成されるものとする。

（トンネル掘削機１００の動作について）
次に、図６、図７のフローチャートに沿って、その他図面を適宜参照しつつ、トンネル掘削機１００の動作について詳細に説明する。なお、説明の便宜上、図６、図７の処理が開始される際には、図１に示すように掘削坑２０４の内周面に沿ってセグメントリング２０２が複数組み立てられており、既にシールドトンネルＴＬの一部が構築されているものとする。なお、以下においては、地山のＮ値が０～５の場合、軟弱地盤であり、沈下のおそれがあるため、直ちに第２の裏込め注入装置４２から薬液を注入する必要があることを意味するものとする。また、地山のＮ値が５～２０の場合、沈下の懸念はあるものの、直ちに第２の裏込め注入装置４２から薬液を注入する必要はないことを意味するものとする。また、地山のＮ値が２０以上の場合、沈下の懸念がなく、第２の裏込め注入装置４２から薬液を注入する必要はないことを意味するものとする。

図６の処理が開始されると、まず、ステップＳ１０において、制御装置９０は、トンネル掘削機１００を用いた１セグメント分の掘進を行う。ここで、１セグメント分の掘進について、図８（ａ）～図９に基づいて説明する。図８（ａ）には、掘削坑２０４の内周面に沿ってセグメントリング２０２が複数組み立てられ、シールドトンネルＴＬの一部が構築された状態が示されている。

この図８（ａ）の状態から、制御装置９０は、モータ１４を制御して、カッタヘッド２０を回転し、図８（ｂ）に示すように、シールドジャッキ３４を伸長させて（図８（ｂ）の矢印Ｅ１参照）、地山を掘進する（図８（ｂ）の矢印Ｅ２参照）。この掘進において、制御装置９０は、１つのセグメントピース２０６のＸ軸方向の幅分だけ、シールドジャッキ３４を伸長させる。また、制御装置９０は、スクリューコンベヤ３０を動作させることにより、チャンバＣＢ内の土砂を搬出する。

図６に戻り、次のステップＳ１２において、制御装置９０は、１セグメント分の掘進が完了するまで待機する。１セグメント分の掘進が完了すると、次のステップＳ１４に移行し、制御装備９０は、図９において黒塗りで示すように、新たなセグメントピース２０６の組み立てをエレクタ３３を用いて開始し、円筒状のセグメントリング２０２を構築する。なお、このセグメントリング２０２の構築の際には、制御装置９０は、モータ１４（カッタヘッド２０）や、スクリューコンベヤ３０を停止させる。また、制御装置９０は、掘削坑２０４の内周面とセグメントリング２０２の外周面との間に生じる間隙に、第１の裏込め注入装置３５から裏込め材を注入する（図９のグレー部分参照）。なお、制御装置９０は、後述する処理において特定される空洞の有無や深さに基づいて、第１の裏込め注入装置３５から注入する裏込め材の量を適切な量に調整することができる。

なお、ステップＳ１６以降の処理は、ステップＳ１４のセグメントピース２０６の組み立てが終了する前から実施するものとする。すなわち、セグメントピース２０６の組み立てと、ステップＳ１６以降の処理は同時並行的に実行される。

ステップＳ１６において、制御装置９０は、地山探査装置４０を制御して、第１の押出力（ここでは、１Ｎとする）でロッド５４が停止するまでロッド５４を伸ばす。このとき、掘削坑２０４の内周に空洞が無ければ、図１０（ａ）に示すような位置（ストローク長Ｌａ）で、ロッド５４は停止する。これに対し、掘削坑２０４に空洞があれば、図１０（ｂ）に示すような位置（ストローク長Ｌｂ）で、ロッド５４は停止する。

次いで、ステップＳ１８において、制御装置９０は、ロッド５４が停止したときのストロークが通常の空隙より大きいか否かを判断する。通常の空隙は、図１０（ａ）のストローク長Ｌａであるものとする。このステップＳ１８の判断が否定された場合（すなわち、図１０（ａ）のような場合）には、ステップＳ２２に移行する。一方、ステップＳ１８の判断が肯定された場合（すなわち、図１０（ｂ）のような場合）には、ステップＳ２０に移行する。ステップＳ２０に移行すると、制御装置９０は、空洞があると判断する。その後は、ステップＳ２２に移行する。

ステップＳ２２に移行すると、制御装置９０は、地山探査装置４０を制御して、第２の押出力（ここでは、１０Ｎとする）まで、ロッド５４の押出力を徐々に上げる。

次いで、ステップＳ２４において、制御装置９０は、第２の押出力に到達するまでの間に、ロッド５４が動き出したか否かを判断する。ここで、ロッド５４が動き出した場合には、地山の安定度が低く、地山が緩んでおり、早めに対策をしないと地盤沈下が生じる可能性があることを意味する。したがって、ステップＳ２４の判断が肯定された場合には、ステップＳ２６に移行して、制御装置９０は、地山探査装置４０を制御して、ロッド５４を縮める（図３（ａ）参照）。そして、ステップＳ２８において、制御装置９０は、第２の裏込め注入装置４２を制御して、掘削坑２０４の内周に薬液を注入する。ここで、制御装置９０は、ステップＳ２０において空洞が存在すると判断した場合には、ステップＳ１８でロッドが停止した時点におけるロッド５４のストローク長から空洞の深さを特定し、空洞の深さに応じた量の薬液を注入（投入）する。一方、ステップＳ２０を経ていない場合（空洞があると判断していない場合）には、制御装置９０は、予め定められている量の薬液を掘削坑２０４の内周面に向けて注入する。

次いで、ステップＳ３０に移行すると、制御装置９０は、次の掘削を実施するか否かを判断する。このステップＳ３０の判断が肯定された場合には、ステップＳ１０に戻る。これに対し、ステップＳ３０の判断が肯定された場合（トンネル掘削機１００が到達立坑（図５（ｃ）参照）まで到達した場合）には、図６、図７の全処理を終了する。

ところで、ステップＳ２４の判断が否定された場合、すなわち、第２の押出力（１０Ｎ）に到達するまでの間に、ロッド５４が動き出さなかった場合には、制御装置９０は、図７のステップＳ３２に移行する。

図７のステップＳ３２に移行すると、制御装置９０は、メモリ９２のボーリングデータテーブル（図５（ａ））を参照して、現在の地点の深さＤ（ｍ）におけるボーリングデータが、Ｎ値≧２０であるか否かを判断する。このステップＳ３２の判断が肯定された場合には、ステップＳ３４に移行し、制御装置９０は、押出力テーブル（図５（ｂ））を参照して、Ｎ値＝２０に対応する押出力を特定し（図５（ｂ）の場合、４０Ｎ）、その押出力までロッド５４の押出力を徐々に上げる。一方、ステップＳ３２の判断が否定された場合には、ステップＳ３６に移行し、制御装置９０は、押出力テーブル（図５（ｂ））を参照して、ボーリングデータのＮ値に対応する押出力を特定し、その押出力まで、ロッド５４の押出力を徐々に上げる。例えば、ボーリングデータのＮ値が１０であった場合には、図５（ｂ）より、押出力を２０Ｎまで徐々に上げる。

次いで、ステップＳ３８において、制御装置９０は、ステップＳ３４又はＳ３６のようにして押出力を徐々に上げている間に、ロッド５４が動き出したか否かを判断する。このステップＳ３８の判断が肯定された場合には、ステップＳ４０に移行し、ロッド５４が動き出したときの押出力から地山のＮ値を特定する。例えば、押出力が１０Ｎのときにロッド５４が動き出した場合には、制御装置９０は、図５（ｂ）の押出力テーブルを参照して、地山のＮ値＝５（押出力１０Ｎに対応するＮ値）と特定する。

一方、ステップＳ３８の判断が否定された場合、すなわち、ステップＳ３４又はＳ３６のようにして押出力を徐々に上げても、ロッド５４が動き出さなかった場合には、ステップＳ４２に移行し、最後に設定された押出力から地山のＮ値を特定する。例えば、押出力が徐々に上げられ、最終的に２０Ｎになってもロッド５４が動き出さなかった場合には、制御装置９０は、図５（ｂ）の押出力テーブルを参照して、地山のＮ値＝１０（押出力２０Ｎに対応するＮ値）と特定する。

なお、本第１の実施形態では、ボーリングデータのＮ値が２０以上である場合に、Ｎ値＝２０に対応する押出力（４０Ｎ）までロッド５４の押出力を徐々に上げることとしている（ステップＳ３４）。押出力を４０Ｎまで上げてもロッド５４が動き出さなければ、地山が強固であることが明らかであるため、押出力の上限を４０Ｎとすることで、地山探査装置４０を用いた処理の時間を短くすることが可能となる。

その後、ステップＳ４４に移行し、制御装置９０は、地山探査装置４０を制御して、ロッド５４を図３（ａ）の状態になるまで縮める。

次いで、ステップＳ４６に移行すると、制御装置９０は、次の掘削を実施するか否かを判断する。このステップＳ４６の判断が肯定された場合には、ステップＳ１０に戻る。これに対し、ステップＳ４６の判断が肯定された場合（トンネル掘削機１００が到達立坑（図５（ｃ）参照）まで到達した場合）には、図６、図７の全処理を終了する。

以上のように、図６、図７の処理を実行することで、トンネル掘削機１００により１セグメント分ずつトンネルを掘り進めることができるとともに、セグメントピース２０６を組み立てている間（トンネル掘削機１００が停止している間）に、掘削坑２０４における空洞の有無や深さ、地山の安定度を特定する処理（地山探査処理）を行うことができる。

以上、詳細に説明したように、本第１の実施形態によると、地山探査装置４０は、トンネル掘削機１００（外殻１１）の内部に設けられたシリンダ５２と、シリンダ５２に対して出没可能であり、トンネル掘削機１００（外殻１１）の外周部から外部に突出可能なロッド５４と、シリンダ５２からのロッド５４の押出力を調整する調整装置５８と、を備えている。そして、調整装置５８は、制御装置９０の指示の下、第１の押出力（例えば１Ｎ）でロッド５４を突出させた後に、第１の押出力より大きな第２の押出力（１Ｎよりも大きい押出力）によりロッド５４を突出させる。これにより、第１の押出力でロッド５４を突出させているときのロッド５４の動きに基づいて、地山探査装置４０に対向する掘削坑２０４の内周面に空洞があるか否か、空洞がどの程度の大きさ（空隙量）であるかを特定することができる。また、第２の押出力でロッド５４を突出させているときのロッド５４の動きに基づいて、掘削坑２０４の地山の安定度（地山強度）を特定することができる。

また、本第１の実施形態によると、制御装置９０は、地山の安定度に基づいて裏込め材を地山に投入するタイミングを決定している（図６のステップＳ２８）。これにより、地山の安定度が低く、沈下が起こりやすい場合に、早めに地山を補強することが可能である。また、制御装置９０は、空洞の大きさ（深さ）に基づいて、裏込め材の注入量を決定するため、空洞を埋めるのに適切な量の裏込め材を注入することができる。

また、本第１の実施形態では、シリンダ５２とロッド５４が、トンネル掘削機１００の前端部（＋Ｘ側の端部）近傍に設けられている。これにより、カッタヘッド２０が掘削した地山の空洞量や安定度を早期に特定し、地山の安定度が低い場合に、早期に対策を講じることができる。

また、本第１の実施形態では、制御装置９０は、事前に実施した地山のボーリングデータに基づいて、押出力を調整する（Ｓ３４、Ｓ３６）。これにより、地山探査装置４０による探査処理を効率よく実施することができる。なお、第１の実施形態においては、ボーリングデータに基づいて第１の押出力を決定することとしてもよい。

なお、上記第１の実施形態では、地山探査装置４０が、外殻１１の外周方向の地山を探査する場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、地山探査装置４０は、カッタヘッド２０の前方の地山を探査することとしてもよい。この場合、シリンダ５２を隔壁１２の＋Ｘ側に設け、地山の探査の際には、ロッド５４をスポーク部２１間の開口部２５から突出させるようにすればよい。

なお、上記第１の実施形態では、地山探査装置４０の－Ｘ側に第２の裏込め注入装置４２を設けることとしたが、これに限らず、第２の裏込め注入装置４２は、地山探査装置４０の＋Ｘ側や－Ｙ側、＋Ｙ側などに設けることとしてもよい。

なお、上記第１の実施形態では、図６のステップＳ２８において薬液を注入した後に、地山探査装置４０を用いて、地山の強度を確認する処理（薬液の効果が発揮されているか否かを確認する処理）を行うこととしてもよい。

（変形例）
なお、上記第１の実施形態では、トンネル掘削機１００の制御装置９０が地山探査装置４０を制御する場合について説明したが、これに限られるものではない。図１１は、第１の実施形態の変形例に係る制御系を示すブロック図である。図１１に示すように、変形例においては、トンネル掘削機１００が通信装置９４を有しており、通信装置９４を介して地山探査装置４０が接続されている。地山探査装置４０は、前述した調整装置５８及びストローク計５６と、探査制御装置６２と、メモリ６４と、通信装置６６と、を有する。探査制御装置６２は、通信装置６６を介して、トンネル掘削機１００の制御装置９０から送信されてくる地山探査のタイミングの情報を取得する。そして、探査制御装置６２は、地山探査のタイミングにおいて、地山探査の処理（図６、図７のステップＳ１６～Ｓ２６、Ｓ３２～Ｓ４４の処理）を実行する。なお、メモリ６４には、図５（ａ）、図５（ｂ）のテーブルが格納されているものとする。このため、探査制御装置６２は、地山探査の際には、メモリ６４に格納されている各テーブルを参照する。ここで、探査制御装置６２は、ステップＳ２６の処理を行った場合に、トンネル掘削機１００の制御装置９０に対して、処理が終了した旨と、第２の裏込め注入装置４２を用いた薬液の注入指示を出力する。この場合、制御装置９０は、第２の裏込め注入装置４２を用いて、地山強度が低い箇所に薬液を注入する（ステップＳ２８）。また、探査制御装置６２は、ステップＳ４４の処理を行った後は、処理が終了した旨と処理の結果得られた地山に関する情報を、通信装置６６を介して、トンネル掘削機１００の制御装置９０に対して出力する。この場合、トンネル掘削機１００の制御装置９０は、探査制御装置６２から受信した情報に基づいて、トンネル掘削を継続したり、第１の裏込め注入装置３５からの裏込め材の注入量を調整したりする。

《第２の実施形態》
以下、第２の実施形態について、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に基づいて説明する。図１２（ａ）には、第２の実施形態に係る第１の地山探査装置４０１が示されている。本第２の実施形態の第１の地山探査装置４０１は、第１の実施形態の地山探査装置４０の構成に加えて、ロッド５４の＋Ｚ端部近傍に温度センサ７１及び水分センサ７２を備えている。

温度センサ７１は、ロッド５４が地山に貫入された状態で、地山の温度や地下水の温度を検出する。温度センサ７１の検出結果は、制御装置９０（図４）や探査制御装置６２（図１１）に送信される。制御装置９０や探査制御装置６２は、温度センサ７１の検出結果に基づいて、ロッド５４の先端が接触している岩盤の変化をモニタすることができるので、岩盤の変化に応じて、裏込め材を注入するか否かを判断するなどすることができる。

水分センサ７２は、地山表面の水分量を検出する。水分センサ７２の検出結果は、制御装置９０（図４）や探査制御装置６２（図１１）に送信される。制御装置９０や探査制御装置６２は、水分センサ７２の検出結果に基づいて、地山の表面にロッド５４の先端が接触したか否かを検出することができるので、水分量の変化とロッド５４のストローク量とに応じて空洞の有無や空洞の深さを特定することができる。

また、本第２の実施形態においては、図１２（ｂ）に示す第２の地山探査装置４０２のように、第１の実施形態の地山探査装置４０の構成に加えて、シリンダ５２の上端部（＋Ｚ端部）に、撮像装置７３と、レーザ距離計７４と、を備えていてもよい。

撮像装置７３は、例えば＋Ｚ方向を撮像する。撮像装置７３が撮像した画像は、制御装置９０（図４）や探査制御装置６２（図１１）に送信される。制御装置９０や探査制御装置６２は、撮像画像を画像処理することにより、空洞の形状や大きさを特定することができる。なお、撮像装置７３の近傍に照明装置を設けておき、撮像装置７３による撮像の際に照明装置を用いて地山を照明するようにしてもよい。

レーザ距離計７４は、例えば＋Ｚ方向にレーザを射出することにより、＋Ｚ方向における地山との距離を計測するためのものである。レーザ距離計７４の計測結果は、制御装置９０（図４）や探査制御装置６２（図１１）に送信される。制御装置９０や探査制御装置６２は、レーザ距離計７４の計測結果に基づいて、空洞の有無や空洞の深さを特定することができる。なお、図６のステップＳ１６の処理に代えて、レーザ距離計７４を用いて空洞の有無や深さを特定してもよいし、図６のステップＳ１６とレーザ距離計７４を用いた処理との両方を実行し、各処理の結果を両方用いて空洞の有無や深さを特定するようにしてもよい。例えば、レーザ距離計７４を用いて、空洞の深さを特定し、当該空洞の深さに基づいてロッド５４の先端（＋Ｚ端部）を地山表面に高速で近づけた状態から図６のステップＳ１６の処理を実行することとしてもよい。これにより、ステップＳ１６の処理時間を短縮することができる。

なお、温度センサ７１、水分センサ７２、撮像装置７３、レーザ距離計７４は、泥などによる汚れによって計測精度が悪化したり、画像の画質等が悪くなるおそれがある。したがって、ロッド５４やシリンダ５２に、温度センサ７１、水分センサ７２、撮像装置７３及びレーザ距離計７４を洗浄するための洗浄液（水）を噴射するための液体噴射装置を設けることとしてもよい。なお、液体噴射装置に代えて、気体を用いて土砂等を吹き飛ばす気体噴射装置を設けることとしてもよい。また、温度センサ７１、水分センサ７２、撮像装置７３及びレーザ距離計７４を土砂等から保護するためのシャッタを設けることとしてもよい。

なお、本第２の実施形態の地山探査装置は、図１２（ａ）と図１２（ｂ）に図示した温度センサ７１、水分センサ７２、撮像装置７３、レーザ距離計７４の全てを備えていてもよいし、少なくとも１つを備えていてもよい。

なお、ロッド５４を駆動する際に所定の押出力を維持する場合、ロッド５４にかかる力（地山の抵抗力）により、駆動電流が変化する。したがって、電流計を用いて駆動電流を計測することで、地山強度の変化（地盤の硬さの変化）を測定することとしてもよい。

なお、上記第２の実施形態では、ロッド５４の先端（＋Ｚ端部）近傍に、第２の裏込め注入装置４２から供給される薬液を噴射する噴射ノズルを設けてもよい。これにより、直ちに薬液を注入する必要があると判断されたときに、図６のステップＳ２８において、ロッド５４の先端から薬液を噴射することが可能である。

《第３の実施形態》
次に、第３の実施形態について、図１３～図１４（ｂ）に基づいて詳細に説明する。本第３の実施形態においては、図１３に示すように、トンネル掘削機１００内に、地山探査装置４０をＸ軸方向に駆動するための変更装置としてのＸ駆動機構１０２が設けられている点に特徴を有する。

Ｘ駆動機構１０２は、地山探査装置４０を保持する板状の保持部材１０４と、保持部材１０４のＸ軸方向への移動を許容しつつ、保持部材１０４を下側（－Ｚ側）から支持する支持部材１０６と、保持部材１０４をＸ軸方向にスライド移動させる移動装置としてのスライドジャッキ１０８と、を有する。

保持部材１０４の略中央部にはＺ軸方向に貫通する貫通孔１０５が形成されており、当該貫通孔１０５において地山探査装置４０のシリンダ５２（フランジ部１５２）を保持している。なお、トンネル掘削機１００の外殻１１には、ロッド５４を貫通させるための長孔１１１が形成されている。長孔１１１は、Ｘ軸方向に延びており、ロッド５４が伸びた状態で地山探査装置４０がＸ軸方向へ移動しても、ロッド５４と外殻１１とが機械的に干渉しないようになっている。

保持部材１０４の上面には、Ｏリング等のシール部材１１０が設けられている。シール部材１１０は、外殻１１の外側の水や泥が長孔１１１を介して外殻１１の内部に浸入するのを抑制する。

スライドジャッキ１０８は、シリンダと、シリンダに対してＸ軸方向に移動可能なロッドと、を有する。ロッドが伸びる（＋Ｘ方向に移動する）ことにより、保持部材１０４及び地山探査装置４０が外殻１１に対して＋Ｘ方向に相対的に移動する。また、ロッドが縮む（－Ｘ方向に移動する）ことにより、保持部材１０４及び地山探査装置４０が外殻１１に対して－Ｘ方向に相対的に移動する。

本第３の実施形態においては、トンネル掘削機１００が掘進動作を行っている間（すなわち、＋Ｘ方向に移動している間）に、地山探査装置４０を用いて、地山における空洞の有無や深さの特定、地山の安定度の特定処理を実行する。

図１４（ａ）、図１４（ｂ）は、図１３の地山探査装置４０を用いた処理を説明するための図である。トンネル掘削機１００の制御装置９０は、掘進動作を行っている間において、シールドジャッキ３４のロッドの移動速度（すなわち、図１４（ａ）のトンネル掘削機１００の矢印Ｄ１方向（＋Ｘ方向）への移動速度）と、スライドジャッキ１０８のロッドの移動速度（すなわち、図１４（ａ）の保持部材１０４の矢印Ｄ２方向（－Ｘ方向）への移動速度）と、を同一にして、図６、図７のステップＳ１６～Ｓ２６、Ｓ３２～Ｓ４４の処理を実行する。この場合、地山探査装置４０の移動方向と移動速度を上述のように設定することにより、図１４（ｂ）に示すように、地山探査装置４０は地山に対して停止した状態を維持する。これにより、トンネル掘削機１００が掘進中も、地山探査装置４０を用いて、地山における空洞の有無や深さ、地山の安定度を特定することが可能である。これにより、掘進していない状態でしか地山探査装置４０を用いた処理が行えないという制約がなくなるため、トンネル掘削の工期の短縮を図ることが可能となる。

なお、上記第３の実施形態においては、トンネル掘削機１００の掘進動作中に地山探査装置４０を用いた処理を行う場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、トンネル掘削機１００が掘進動作を行っていない間（停止中）に、地山探査装置４０を用いた処理を実行するとともに、Ｘ軸方向に所定距離だけ移動し、地山探査装置４０を用いた処理を再度実行するという処理を繰り返すこととしてもよい。このようにすることで、地山における空洞の有無や深さ、地山強度の特定処理を多数の箇所において実行することができる。

（変形例）
なお、上記第３の実施形態では、地山探査装置４０がロッド５４とシリンダ５２とを有する装置である場合について説明したが、これに限らず、図１５に示すように、地山探査装置４０は、ロッド５４やシリンダ５２に代えて、その上端部にレーザ距離計７４を有する装置であってもよい。

この図１５の例の場合、例えば、トンネル掘削機１００が停止している間に、地山探査装置４０をＸ軸方向に移動させながらレーザ距離計７４を用いて対向する地山との距離を計測する。これにより、地山のＸＺ断面形状（空洞のＸＺ断面形状）を測定することができる。

また、例えば、トンネル掘削機１００が停止している間に、地山探査装置４０をＸ軸方向に移動させるとともに、レーザ距離計７４のレーザをＸ軸回りにスキャンすることにより、地山との距離を計測する。これにより、地山の３次元形状（空洞の３次元形状）を測定することができる。

また、例えば、トンネル掘削機１００が掘進している間に、地山探査装置４０をＸ軸方向に移動させながらレーザ距離計７４を用いて対向する地山との距離を計測することとしてもよい。これにより、トンネル掘削機１００が掘進している間に、地山のＸＺ断面形状（空洞のＸＺ断面形状）を測定することができる。更に、トンネル掘削機１００が掘進している間に、地山探査装置４０をＸ軸方向に移動させるとともに、レーザ距離計７４のレーザをＸ軸回りにスキャンすることにより、地山との距離を計測することとしてもよい。これにより、トンネル掘削機１００が掘進している間に、地山の３次元形状（空洞の３次元形状）を測定することができる。

上述したように、地山の断面形状や３次元形状を測定することで、第１の裏込め注入装置３５や第２の裏込め注入装置４２から地山に注入すべき裏込め材の量を適切な量に調整することができる。

なお、上記各実施形態及び変形例においては、制御装置９０又は探査制御装置６２は、空洞があると判断した場合や、地山強度が低い場合に、その旨を外部装置（例えば作業者が使用するＰＣ）に対して出力して、警告を発するようにしてもよい。

なお、上記各実施形態及び変形例のトンネル掘削機１００は、いわゆる泥土圧式シールド掘進機である。これに代えて、トンネル掘削機１００は、チャンバＣＢ内に対して泥水を給排することによりチャンバＣＢ内に滞留した掘削土砂をトンネル掘削機１００の後方へと搬出する泥水給排装置を備えた、いわゆる泥水圧式シールド掘進機であってもよい。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

４０ 地山探査装置
５２ シリンダ（探査装置本体）
５４ ロッド
５８ 調整装置
６２ 探査制御装置（制御装置）
７１ 温度センサ
７２ 水分センサ
７３ 撮像装置
７４ レーザ距離計
１００ トンネル掘削機
１０２ Ｘ駆動機構（変更装置）
１０８ スライドジャッキ（移動装置）

Claims (9)

1. トンネル掘削機に設置されて地山の強度を探査するための地山探査装置であって、
   前記トンネル掘削機の内部に設けられた探査装置本体と、
   前記探査装置本体に対して出没可能であり、前記トンネル掘削機の外周部から外部に突出可能なロッドと、
   前記探査装置本体からの前記ロッドの押出力を調整する調整装置と、
   前記調整装置により調整された第１の押出力により前記ロッドを突出させた後に、前記調整装置により調整され、前記第１の押出力より大きな第２の押出力により前記ロッドを突出させる制御装置と、を備える地山探査装置。
2. 前記制御装置は、前記第１の押出力を用いて前記地山の空隙量を特定し、前記第２の押出力に基づいて前記地山の安定度を特定する、請求項１に記載の地山探査装置。
3. 前記制御装置は、前記地山の安定度に基づいて裏込め充填材を前記地山の空隙に投入するタイミングを決定し、前記地山の空隙量に基づいて前記裏込め充填材の投入量を決定する、請求項２に記載の地山探査装置。
4. 前記探査装置本体と前記ロッドは、前記トンネル掘削機の前端部近傍に設けられる、請求項１に記載の地山探査装置。
5. 前記制御装置は、事前に実施した前記地山のボーリングデータに基づいて、前記第１の押出力と前記第２の押出力との少なくとも一方を調整する請求項１に記載の地山探査装置。
6. 前記トンネル掘削機の前端部と前記探査装置本体及び前記ロッドとの位置関係を変更する変更装置を備える、請求項１に記載の地山探査装置。
7. 前記ロッドには、温度センサ及び水分センサの少なくとも一方が設けられている、請求項１に記載の地山探査装置。
8. 前記探査装置本体には、レーザ距離計及び撮像装置の少なくとも一方が設けられている、請求項１に記載の地山探査装置。
9. 前記レーザ距離計及び前記撮像装置の少なくとも一方に対し、洗浄用の流体を噴射する噴射装置を備える、請求項８に記載の地山探査装置。

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