JPH0336120B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、シールド掘進機、リバースサーキユ
レーシヨンドリル等の穴坑掘削機により穴坑を掘
削する場合、当該穴坑掘削機と地山の地肌との間
にできる空隙距離を検出する検出装置に関する。

〔発明の背景〕

縦穴、横穴、斜孔等を掘削する場合、掘削機と
掘削後の地肌との間には空隙が生じ、これを放置
しておくと地山の崩壊を生じ危険である。このよ
うな状態を、シールド掘進機により横穴を掘削し
ている場合について図により説明する。

第１図は穴坑内のシールド掘進機の構成概略図
である。図で、１はシールド掘進機の外殻を構成
するシールドスキンプレート、２はシールドスキ
ンプレート１の先端に位置するカツタホイール、
３はシールドスキンプレート１内を仕切るバルク
ヘツド、４はカツタホイール２とバルクヘツド３
の間に形成される泥水室、５は泥水室４内の泥水
をシールド掘進機外部に排出するための泥水搬送
装置、６はシールド掘進機の掘進後にトンネルを
構成するセグメント、７はコンクリートポンプで
ある。

シールド掘進機はカツタホイール２を回転させ
て切羽地山A₁を掘削し、掘削した土砂（湧水に
より濃度の大きい泥水状となつている。）を泥水
室４に取込み、この泥水を泥水搬送装置５により
外部に排出しながら前進してゆく。このようなシ
ールド掘進機の掘削後、シールド掘進機の径方向
の地山A₂の掘削面はシールドスキンプレート１
の表面とほとんど一致している筈である。しかし
ながら、実際は当該地山A₂の掘削部分には小規
模の崩壊（これを肌落ちという。）が発生するの
が通常であり、このため、シールド掘進機と地山
A₂のシールド掘進機側の露出面（この面を地肌
という。）との間には空隙が生じる。第１図で、
符号８が上記地肌を示す。そして、シールドスキ
ンプレート１の表面と地肌８との間の空隙には湧
水によつて、泥水９が充満した状態となつてい
る。今、仮に、掘削作業中に切羽地山A₁に破線
で示すような規模の大きな崩壊（これを単に崩壊
という。）が生じたとすると、掘進後の空隙は極
めて大きなものとなる。

ところで、肌落ちや崩壊による空隙をそのまま
放置しておくと、地山A₂が崩壊して地表面に陥
没を生じ極めて危険である。このため、シールド
掘進機の掘削後、コンクリートポンプ７により上
記空隙にモルタル等の裏込め材１０を注入し、空
隙を埋める裏込め注入作業が行なわれる。従来、
この裏込め注入は作業員の感覚で行なわれること
が多かつた。したがつて、裏込め材１０を必要量
以上に注入したり、裏込め材１０の注入が不足す
る状態を生じ、前者の場合には余分の裏込め材１
０がカツタホイール２、泥水室４、泥水搬送装置
５を経由して外部に排出されて莫大な量の裏込め
材の損失を生じ、又、後者の場合には空隙を完全
に充填できず崩壊防止の目的を達成できないとい
う欠点があつた。

このような欠点を除くため、従来からいくつか
の手段が採用されてきた。その第１の手段は、掘
削土量（そのシールド掘進機の掘進距離から計算
できる。）と排出された土量との差をチエツクし、
この差の値から空隙の体積を判断し、これに応じ
て裏込め注入を行なうものである。しかし、この
手段では、どの部分にどのような崩壊が生じてい
るか全く不明であり、正確な裏込め注入を行なう
ことはできず、さらに、カツタホイール２の前方
のみに生じた崩壊（このような崩壊は空隙の大き
さには関与しない。）も排出された土量として計
算するので、余分な裏込め注入を行なつてしまう
ことになる。又、第２の手段としては、排出され
た泥水の濃度を測定し、濃度が大きい場合には崩
壊が生じていると判断する手段が採用されている
が、この手段はさきの第１の手段と同じ理由で同
じ欠点を有するばかりでなく、地山の土質が変化
した場合の判断が困難であり、かつ、肌落ち程度
ではほとんど濃度が変化しないので、裏込め材の
注入量の決定は困難である。さらに、第３の手段
および第４の手段として、直接空隙距離を測定す
る手段が採用されている。これらの手段を第２図
および第３図により説明する。

第２図は棒体を用いた第３の手段による測定方
法を説明する概略図である。図で、１１はシール
ドスキンプレート１の外部に自由に出し入れでき
る棒体である。作業員は棒体１１をシールドスキ
ンプレート１の外方に向けて押し出し、棒体１１
の先端を地肌８に当接させ、そのときの棒体１１
のストロークをみることにより空隙距離を直接測
定することができ、これにより崩壊の位置やその
程度を知ることができる。しかし、このような手
段では、地肌８が柔かい場合には地肌８への当接
を正確に検知することはできず、又、地肌８に肌
落ちを発生させるおそれがあり、正確な測定はで
きない。加えて、棒体１１を突出させたままだと
棒体１１に破損や摩耗を生じるので測定は間欠的
にならざるを得ず、この場合、測定個所と次の測
定個所との間にたとえ崩壊が発生する事態が生じ
ていても測定はできず、一層不正確になる欠点が
ある。

第３図は超音波を用いた第４の手段による測定
方法を説明する概略図である。図で、１２はシー
ルドスキンプレート１の内側に設けられた管路で
ある。１３は管路１２に接続されたポンプであ
り、清水を泥水９中に噴出せしめる。１４は清水
の噴出によつて泥水９中に形成されるジエツト水
流を示す。１５は管路１２に設けられて超音波を
放射するとともにその反射波（エコー）を受ける
超音波探触子である。

一般に、超音波を用いて距離を測定する方法は
良く知られている。しかしながら、このような測
定は媒質中における不純物の混在が少ない場合に
はじめて可能であり、泥水９のように泥水粒子が
極めて多量に混在している場合には、放射された
超音波は泥土粒子に散乱され、地肌８によるエコ
ー信号を得ることはできない。

ところで、第３図に示す手段は超音波を用いる
測定において生じる上記問題点を解決するもので
ある。即ち、ポンプ１３から送られる清水はジエ
ツト水流１４となり、これにより泥水９中にシー
ルドスキンプレート１から地肌８に達する清水通
路を形成するものである。したがつて、超音波探
触子１５から放射された超音波および地肌８から
のエコーは散乱を受けず、超音波による測定を可
能とする。しかし、このような手段は、ジエツト
水流１４を形成するための制御が困難であり、か
つ、装置が大型になるとともに、ジエツト水流１
４によつて地肌８が掘削されて正確な測定は困難
である。又、このような掘削により肌落ちが生じ
るおそれもある。さらに、清水によつて泥水濃度
を希釈するので地山A₁，A₂が崩壊するおそれが
生じ、これを避けるには測定を間欠的に行なわざ
るを得ず、この場合にはさきの第３の手段と同じ
欠点を生じる。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、穴坑掘削機と地肌との間
の距離を、地肌に何等の影響をも与えることなく
正確かつ連続して測定することができ、ひいて
は、確実に地山の崩壊を防止することができると
ともに裏込め材の損失をも防止することができる
穴坑内における穴坑掘削機と地肌間の検出装置を
提供するにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明は、超音波
探触子から地肌に対して超音波を放射することに
より穴坑掘削機の外面と前記地肌との間の距離を
検出する穴坑内における穴坑掘削機と地肌間の距
離検出装置において、先端部分に前記超音波探触
子が取付けられかつ前記穴坑掘削機に支持される
とともに前記穴坑掘削機外の泥水中に出し入れ自
在に設けられた支持体と、この支持体を移動させ
る移動手段と、前記支持体の移動距離を検出する
検出手段と、前記超音波探触子から超音波を放射
しながら前記支持体を移動させたときの当該超音
波のエコー信号を表示するとともに当該エコー信
号が急変したときの前記超音波探触子から前記エ
コー信号の急変部分までの距離を読取る表示装置
とを備え、前記エコー信号が急変したときの当該
距離と前記検出手段で検出された移動距離とを加
算して前記穴坑掘削機の外面と前記地肌との間の
距離を得ることを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明す
る。

第４図は本発明の実施例に係る距離検出装置の
系統図である。図で、第１図に示す部分と同一部
分には同一符号が付してある。１７はシールドス
キンプレート１の適宜個所に設けられた開孔、１
８は開孔１７に嵌着固定されたロツドガイド、１
９はシールである。２０はロツドガイド１８に摺
動自在に挿入された伸縮ロツド、２１は伸縮ロツ
ドの先端に支持された超音波探触子である。伸縮
ロツド２０は超音波探触子２１の先端面とシール
ドスキンプレート１の表面とが同一面となる位置
を基準位置とする。２２は伸縮ロツド２０を地肌
８の方向に向かつて泥水９中に出し入れするジヤ
ツキ、２３はシールドスキンプレート１に取付け
られてジヤツキ２２を支持するジヤツキ支持ブラ
ケツトである。２２ｒはジヤツキ２２にジヤツキ
ロツドであり、伸縮ロツド２０とピン２４で連結
されている。２５はジヤツキ２２に油圧を供給す
る油圧源、２６はジヤツキ２２の油を排出するタ
ンク、２７はジヤツキ２２への圧油の供給、排除
を制御する電磁切換弁、２８はジヤツキ２２への
流量検出器、２９は流量検出器で検出された流量
に基づいてジヤツキ２２のストロークを表示する
ジヤツキストローク表示装置である。３０は超音
波探触子２１に対して信号を出力して超音波を放
射せしめるとともに、超音波探触子２１から出力
されるエコー信号を受信する超音波送受信器であ
る。３１はエコー信号に応じてエコー信号波形を
表示する陰極線管である。なお、第４図に示され
る装置は必要に応じてシールドスキンプレートの
周方向に複数個設けられる。

次に、本実施例の動作を第５図ａ，ｂ，ｃに示
す波形図を参照しながら説明する。まず、伸縮ロ
ツド２０を基準位置に引込め、超音波探触子２１
から地肌８に向けて超音波を放射する。この位置
で、超音波探触子２１と地肌８との距離l_x（この
距離が測定されるべき距離である。）が大きいと、
超音波探触子２１からの超音波は泥水の中の泥土
粒子により散乱されて地肌８からのエコー信号は
得られない。この場合、陰極線管３１には第５図
ａに示す波形が表示される。ここで、第５図ａ，
ｂ，ｃの横軸には超音波探触子２１からの距離
が、縦軸にはエコー信号の大きさ（エコー高さ）
がとつてある。陰極線管３１には泥水９中の泥土
粒子の散乱ノイズＮのみが表示され、この散乱ノ
イズＮも超音波探触子２１からの距離が遠くなる
ほど小さくなる。

陰極線管３１の表示が第５図ａに示すように散
乱ノイズＮのみの場合、作業員は電磁切換弁２７
に信号を与えてこれを駆動し、ジヤツキロツド２
２ｒを伸長させて伸縮ロツド２０を泥水９中に突
出させてゆく。これとともに、超音波探触子２１
も地肌８に接近してゆく。地肌８が軟質である場
合、超音波探触子２１が地肌８にある位置（第４
図に点線で示す位置）まで接近すると陰極線管３
１に表示される散乱ノイズ波形Ｎはその遠隔部分
が明瞭に消滅する。このときの超音波探触子２１
と地肌８との間の距離l₁は陰極線管３１に表示さ
れている第５図ｂの散乱ノイズＮの消滅部の距離
に相当する。即ち、超音波探触子２１と地肌８と
の間の距離は陰極線管３１に表示される散乱ノイ
ズＮの波形により得ることができる。一方、この
ときの伸縮ロツド２０の基準位置からの移動距離
l₂はジヤツキ２２のストロークと等しく、その値
はジヤツキストローク表示装置２９の表示により
得ることができる。そして、測定されるべき距離
l_xは、l_x＝l₁＋l₂であるから、陰極線管３１により
読み取つた距離とジヤツキストローク表示装置２
９に表示された距離を加算すれば、シールドスキ
ンプレート１の表面と地肌８との間の距離を得る
ことができる。なお、地肌８が硬質である場合、
陰極線管３１に表示される波形は第５図ｃに示す
ように、消滅部分と重なつて地肌８のエコー信号
のピーク波形Ｐが表われるが、距離の測定は上述
の方法と全く同様にして行なわれる。

超音波探触子２１はシールド掘進機の掘進作業
中常時超音波を放射し、作業員は陰極線管３１を
観察しながら伸縮ロツド２０の先端が地肌８に接
近し過ぎないように調節してやれば、シールドス
キンプレート１と地肌８との間の距離を連続して
正確に求めることができ、したがつて崩壊個所の
位置も明確に知ることができ、適切な裏込め注入
作業が可能になる。

このように、本実施例では、伸縮ロツドに超音
波探触子を支持し、伸縮ロツドをジヤツキによつ
て泥水中に出し入れし、一方、超音波探触子が受
信したエコー信号を陰極線管で観察して散乱ノイ
ズの消滅した部分の距離を読みとり、この距離と
そのときの伸縮ロツドの移動距離とを加算して、
シールド掘進機のシールドスキンプレートと地山
の地肌との距離を求めるようにしたので、地肌に
無接触に、かつ、連続して当該距離を測定するこ
とができ、このため、得られた値も正確である。
そして、この結果、適切な裏込め注入を行なうこ
とができ、地山の崩壊を防止し、かつ、裏込め材
の損失をなくすことができる。又、余掘りが行な
われた場合、余掘り部分の肌落ちや崩壊を検出す
ることができるばかりでなく、正確な余掘りが行
なわれているか否かをチエツクすることもでき
る。

なお、上記実施例ではシールド掘進機を例示し
て説明したが、その他の穴坑掘削機に対しても適
用できるのは当然である。又、穴坑掘削機の直径
方向の地肌のみならず、掘進方向の地肌との距離
を検出することも可能である。さらに、加算器を
用いて陰極線管から得られる距離とジヤツキスト
ローク表示装置から得られる距離を直ちに加算す
ることもできる。さらに又、伸縮ロツドの移動は
ジヤツキに限ることはなく、電気モータ、油圧モ
ータ等を利用することもでき、これに応じて移動
距離の検出および表示も適当な装置を使用するこ
とができる。又、超音波探触子と地肌との距離を
ある一定の値に設定し、この値を保持するように
伸縮ロツドの移動を制御し、この移動距離に応じ
た信号を用いて穴坑掘削機と地肌間の距離を得る
ようにすれば、人手は全く不要となる。又、伸縮
ロツドの最大移動量においても距離の検出が不可
能な場合には、崩壊警報信号を出力するように構
成することもできる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、超音波探触子
を支持した支持体を、移動手段により穴坑掘削機
外の泥水中に出し入れ移動させ、この移動距離と
超音波探触子からのエコー信号に基づいて求めら
れる超音波探触子と地肌との間の距離とを加算す
ることにより穴坑掘削機と地肌との間の距離を検
出するようにしたので、地肌に接触せず、かつ、
連続して当該距離を正確に測定することができ、
ひいては確実に地山の崩壊を防止し、かつ、裏込
め材の損失をなくすことができる。又、余掘りの
管理をも行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は穴坑内のシールド掘進機の構成概略
図、第２図および第３図は従来の距離測定法を説
明する概略図、第４図は本発明の実施例に係る距
離検出装置の系統図、第５図ａ，ｂ，ｃは超音波
エコー信号の波形図である。 １…シールドスキンプレート、８…地肌、９…
泥水、２０…伸縮ロツド、２１…超音波探触子、
２２…ジヤツキ、２５…油圧ポンプ、２７…電磁
切換弁、２８…流量検出器、２９…ジヤツキスト
ローク表示装置、３１…陰極線管、A₂…地山。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波探触子から地肌に対して超音波を放射
   することにより穴坑掘削機の外面と前記地肌との
   間の距離を検出する穴坑内における穴坑掘削機と
   地肌間の距離検出装置において、先端部分に前記
   超音波探触子が取付けられかつ前記穴坑掘削機に
   支持されるとともに前記穴坑掘削機外の泥水中に
   出し入れ自在に設けられた支持体と、この支持体
   を移動させる移動手段と、前記支持体の移動距離
   を検出する検出手段と、前記超音波探触子から超
   音波を放射しながら前記支持体を移動させたとき
   の当該超音波のエコー信号を表示するとともに当
   該エコー信号が急変したときの前記超音波探触子
   から前記エコー信号の急変部分までの距離を読取
   る表示装置とを備え、前記エコー信号が急変した
   ときの当該距離と前記検出手段で検出された移動
   距離とを加算して前記穴坑掘削機の外面と前記地
   肌との間の距離を得ることを特徴とする穴坑掘削
   機と地肌間の距離検出装置。