JPH0444678B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明、掘進機前方の地山の土質変化を掘進に
先立つて検知する地山探査機能を備えたシールド
掘進機に関する。

〔従来の技術〕 シールド掘進機には、施行条件により泥土加圧
式、泥土圧式、泥水式等の各種形式のものがある
が、以下の説明では主として泥土加圧式のシール
ド掘進機について述べる。

泥土加圧式シールド掘進機は、カツターホイー
ルで切羽を掘削し、掘削した土砂をカツターホイ
ール後方の撹拌室に充満させ、シールド掘進機の
推進力で撹拌室内の土砂を加圧して、その土圧で
切羽の崩壊を防止し、一方、撹拌室内に充満した
土砂をスクリユーコンベアで排土しながら掘進し
てゆく機構となつている。

第２図は従来の泥土加圧式シールド掘進機の側
断面図である。図中、１はシールド掘進機のシー
ルド本体であり、前方に形成されたフード部１ａ
および後方に形成されたガーダ部１ｂを有する。
２はフード部１ａとガーダ部１ｂを区画するバル
クヘツドである。３はフード部１ａ内に回転自在
に設置されたカツターホイールであり、このカツ
ターホイール３は、中心部のボス３ａ、ボス３ａ
に放射状に取付けられた複数のスポーク３ｂ、ス
ポーク３ｂに取付けられた撹拌翼３ｃ、前記ボス
３ａの切羽側に取付けられたセンタービツト３
ｄ、前記スポーク３ｂに取付けられた多数のビツ
ト３ｅ、前記ボス３ａに設けられてベントナイト
溶液等の作泥材を地山に向けて噴射する噴射口３
ｆにより構成されている。４は前記ボス３ａに取
付けられて後方に延びているセンターシヤフトで
ある。５ａ，５ｂ，５ｃはカツターホイール３を
回転させるためのベアリングであり、５ａはバル
クヘツド２に支持されたスライドベアリング、５
ｂはベアリングケース６ｂに支持されたスライド
ベアリング、５ｃはベアリングケース６ｂに支持
されたラジアルベアリングである。６はセンタシ
ヤフト４に取付けられた旋回ギヤ、６ａはバルク
ヘツド２に取付けられて旋回ギヤ６を囲むギヤケ
ース、６ｂはギヤケース６ａの後面に一体に形成
されたベアリングケースである。７はギヤケース
６ａに取付けられ、カツターホイール３を駆動す
る油圧モータ等の駆動装置、７ａは駆動装置７の
出力軸に取付けられたピニオンであり、ピンニオ
ン７ａはギヤケース６ａ内で旋回ギヤ６とかみ合
つている。８はカツターホイール２の後方に円筒
状に形成された撹拌室であり、図から明らかなよ
うに、撹拌室８の切羽側は開放され、反切羽側は
バルクヘツド２で密閉されている。９は撹拌室８
内の土砂からスライドベアリング５ａを保護する
シール、１０は撹拌室８の密閉側の開口を取込口
とするスクリユーコンベア、１１はバルクヘツド
２に取付けられ、撹拌室８内の掘削土砂の圧力を
測定する土圧計、１２はシールド本体１に推進力
を与えるシールドジヤツキである。

このように構成されたシールド掘進機は、駆動
装置７の駆動力を旋回ギヤ６を介してカツターホ
イール３に伝えてこれを回転させ、ビツト３ｄ，
３ｅで切羽を掘削する。一方、噴射口３ｆからは
作泥材が切羽側に噴射されて掘削された土砂に混
入される。作泥材が混入された掘削土砂は撹拌室
８内に入り、撹拌翼３ｃにより両者が充分にかき
混ぜられ、流動性および不透水性が高められた泥
土に変換される。これにより、掘削土砂は大きな
抵抗なくスクリユーコンベア１０の取込口に達
し、スクリユーコンベア１０により機外へ搬送さ
れる。この場合、フード部１ａ、撹拌室８内に充
満した堀削土砂の圧力は土圧計１１で検出され、
その検出値に基づいて適正な土圧に保持される。
（土圧の管理）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

さて、上記のような泥土加圧式シールド掘進機
においては、掘進中、撹拌室８内で常に良好な泥
土状態が維持されなければならない。この泥土状
態は、注入された作泥材と掘削土砂の性状によつ
て決まる。もしも掘削土砂が粘性土であれば、作
泥材の量が過小な場合は、そのときの泥土状態は
過度に組成的となり、流動性が悪くなつて、スク
リユウコンベア１０からの排土が困難になる（要
するに付着するような土質ではこうなる）。また、
掘削土砂が砂質土の場合、作泥材の濃度が薄めで
あれば、塑性がなくなり、流動性も悪く、このた
め撹拌トルクが大となつて、運転不能となること
すらある。このように、良好な泥土状態を維持す
るには、堀削土砂の性状に応じて微妙に作泥材の
濃度、流量、また掘進機の推進速度を制御するこ
とが必要である。ところが、このような良好な泥
土状態を維持することは必ずしも容易ではない。
すなわち、掘進機前方の地山の土質が、例えば第
３図に示すように、砂質シルト層から滞水砂礫
層へ変化した場合、これに対応して作泥材の濃
度、流量を変化させなければ、スクリユーコンベ
ア部から水、砂を噴発するという事態が発生す
る。そして、いつたん泥土状態をくずしてしまう
と、これを復旧するには相当の時間、手間、技量
が必要となる。

このように、地山の土質変化に対応して作泥材
の濃度、流量を制御することが大事なのである
が、第２図に示した従来のシールド掘進機では、
スクリユーコンベア１０から排出される泥土の状
態を観察して撹拌室８内の掘削土砂の性状、さら
に前方の地山の性状を推定することになるので、
上記のような土質変化への対応が手おくれとなつ
ていた。このため、上記のような水、砂の噴発と
いう事態になるのである。

以上は泥土加圧式のシールド掘進機について述
べたが、泥土圧式のシールド掘進機では、掘削し
た土砂を掘進機前部のチヤンバ内とスクリユーコ
ンベアに充満して切羽土圧と切羽水圧に対抗する
土圧をチヤンバ内に発生させ、土質に応じ滑材を
注入して充満土砂の塑性流動化をはかつており、
また泥水式のシールド掘進機では、掘進機前部の
泥水室に所定の比重・粘性の泥水を送水・加圧し
て切羽土圧と切羽水圧に対抗させ、掘削された土
砂を泥水と撹拌して地上に流送する方法を採つて
いる。したがつて、これらの方式においても、地
山の土質変化に対応して注入する滑材や泥水の濃
度・流量を変化させなければならないことは前述
した泥土加圧式の場合と同様である。このよう
に、シールド掘進機においては、一般的に掘進機
前方の地山の土質変化を予測しつつ掘進すること
が必要であるが、従来このための有効な方法が実
現されていなかつた。

本発明は、上記した従来技術の問題点にかんが
み、掘進機前方の地山の土質変化を掘進機の進入
に先立つて検知する機能を備えたシールド掘進機
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、掘進機の前面部から突出して前方
の地山に貫入する探査用ロツドを備え、該探査用
ロツドにロツド貫入時に発生する振動を電気信号
に変換する振動センサを内蔵し、かつそのセンサ
出力信号を処理して地山の土質情報を出力する処
理装置を備えることにより達成される。

〔作用〕

地山の探査は、掘進機に付設した油圧シリンダ
等の貫入装置により、常時掘進機内部に格納され
た状態にある探査用ロツドを掘進機の前面部から
突出させて前方の地山に貫入させるか、あるいは
シールドジヤツキにより与えられる掘進機自体の
推進力を利用して、常時掘進機の前面部から突出
している探査用ロツドを前方の地山に貫入させる
かして行なう。探査用ロツドに内蔵された振動セ
ンサは、探査用ロツドが地山中に貫入する際に発
生する振動を電気信号に変換し、処理装置は、こ
のセンサ出力信号を処理して地山の土質情報を出
力する。

次に、この土質判別の原理を説明する。

土中に棒状の物体を貫入させた場合、この棒が
土層を破壊しながら進むときに発生する一種の摩
擦音を聞くことができる。この音は、棒の先端部
で土が破砕されたり、棒と摩擦するときの振動が
棒を伝わつて地上の空中に伝播する音である。こ
の音は、土質によつて異なり、粘土の場合はほと
んど聞きとれないほど微弱なのが普通であるが、
締まつた砂・礫などではかなり大きく、しかもそ
の音の特徴をキリキリ、ガリガリ、ジヤリジヤ
リ、シヤーシヤーなどと区別して書き表わすこと
ができる場合が多い。

この点に着目し、発明者らは先端コーン部にマ
イクロホンを内蔵させたほぼ第４図に示す形状の
探査用ロツドを製作し、これを各種土質の土中に
貫入させる実験を試みた。土質の種類としては、
(1)粘土、(2)川砂70％＋粘土30％、(3)川砂80％＋粘
土20％、(4)川砂90％＋粘土10％、(5)川砂、(6)川砂
70％＋ガラス玉（礫のモデル）30％、(7)川砂50％
＋ガラス玉50％、(8)ガラス玉の８種類を選び、そ
れぞれ貫入時にマイクロホンで集音した音を周波
数分析した。第５図は、横軸に周波数（ＫHz）
を、縦軸に音圧レベルをとつて、周波数分析結果
を図示したものである。第５図によれば、粘土が
主体の場合は音圧レベルが低く、ほとんど無音で
あるのに対し、砂分が多くなるに従い、音の大き
さが増加し、砂分が90％である土質(4)のケースで
は、明らかに(1)あたりとは違つている。さらに、
砂に礫分がまじると、音圧レベルは一層大きくな
つていることが分かる。

この結果から、棒が貫入していくときの音の大
きさ、またはその変動幅、変動の頻度などを調べ
ることで土質を推定できることがわかつた。

以上の実験では、探査用ロツドが土中に貫入す
る際、外部の土粒子の破砕あるいは土粒子相互の
摩擦により発生する振動およびロツドの先端コー
ン部と土との摩擦による振動が先端コーン部表面
よりコーン部を構成する金属中を伝播してマイク
ロホンの受感面前方の金属表面に達し、その金属
表面の振動が圧力波（縦波）となつて一旦空中を
伝播したものをマイクロホンの受感面で捕えてい
るわけであり、振動の検出手段としては、いわば
間接的な手法である。したがつて、先端コーン部
の金属表面に加速度センサまたはAE（アコーステ
イツク・エミツシヨン）センサなどを取付けて、
金属中を伝播してくる振動直接検出し、そのセン
サ出力信号を解析することによつても、マイクロ
ホンで音を検出するのと同様に土質の判別が可能
である。本明細書では、直接、間接を問わず、探
査用ロツドの貫入時に発生する振動を検出し電気
信号に変換するものを振動センサと総称する。ま
た、処理装置から出力される土質情報とは、検出
された音（振動）の大きさ、変動幅、変動の頻度
などといつた土質（または土の粒径）に対応する
情報を意味する。

〔実施例〕

第１図に本発明の一実施例を示す。図中、第２
図と同一の機能、名称の構成部分には同一符号を
付し、その説明を省略する。

１３は油圧シリンダ形式の貫入装置によつて操
作される探査用ロツドである。この探査用ロツド
１３はセンターシヤフト４内に設けてあり、油圧
シリンダのピストンを構成するロツド大径部１３
ａの前後のシリンダ室１４内に油圧配管１５ａ，
１５ｂと、それらに接続されたセンターシヤフト
４の油圧経路１６ａ，１６ｂを通じて油圧を給、
排することによつて、図で左または右方向に摺動
する。なお、本実施例では、探査用ロツド１３が
回転するセンターシヤフト４内に設けられている
ので、後述する振動センサの信号線の破損を防止
するために、図示はしていないが、探査用ロツド
１３に対しては回転止めが施されている。探査用
ロツド１３の切羽側の先端には振動センサを内蔵
する先端コーン部１７が設けられている。

振動センサの具体的な構成例を示すために、探
査用ロツド１３の先端部付近の詳細図を第４図と
して示した。貫入を容易にするためと土の付着を
防止するために円錐形状とした先端コーン部１７
は探査用ロツド１３の本体部分にボルト１８で取
付けられている。１９は先端コーン部１７の内部
にねじ２０により取付けられたマイクロホンで、
振動センサの一例として示したものである。マイ
クロホン１９は、その受感面が先端コーン部１７
の金属表面と空間を介して対向し、探査用ロツド
１３が土中に貫入する際に、先端コーン部１７の
外表面から内部空間に伝わる音を集音する。２１
は探査用ロツド１３の内部を経て後方の運転室に
至る信号線であり、マイクロホン１９から出力さ
れる電気信号を伝送する。運転席部には、マイク
ロホン１９からの出力信号を処理して掘進機前方
の地山の土質情報を運転者に提示する処理装置２
２が設置されている。

処理装置２２の構成としては、例えばマイクロ
ホン１９の出力信号をプリアンプで増幅した後、
その増幅信号をログアンプで対数圧縮し、音圧す
なわち、音の大きさとして音圧表示器に表示させ
る。さらに必要に応じ、前記プリアンプで増幅し
た信号の一部を、パルス計数器を用いて、一定音
圧レベルを超える音についてのみ振動周波数に比
例する電圧に変換し、パルス表示器に単位時間当
りのパルス数として表示させてもよい。このよう
にして処理装置から出力される音圧およびパルス
数ともに、土の粒径が大きくなるにつれて大きく
なる関係にあり、これにより土質を判別すること
が可能である。

次に本実施例の作用を説明する。

第１図において、シールド掘進機全体は土中に
あるものとする。シールド掘進機を用いるシール
ド工法では、所定距離（例えば１ｍ）掘進するご
とに、セグメントというトンネルの一部となる部
材を継ぎ足すために掘進を中断する。説明を容易
にするために、以下の操作はこの掘進中断時に行
なうものとする。

セグメント構築中に、油圧配管１５ｂから圧油
を供給すると、この圧油は油圧通路１６ｂを通じ
て探査用ロツド１３の大径部１３ａの図中右側に
作用し、その推進力により探査用ロツド１３は図
中左方へ移動する。すなわち、先端コーン部１７
が掘進機の前面部から突出し、未だ掘削されてい
ない地山中に貫入してゆく。このとき発生する貫
入音が先端コーン部１７内のマイクロホン１９で
検出され、電気信号となつて信号線２１により処
理装置２２へ送られる。この貫入音は、前述の基
本原理で説明したように、前方地山の土質に対応
しているので、運転者は、この処理装置２２の出
力、例えば貫入音の大きさ、変動幅、変動の頻度
などにより、これから掘進機が進入してゆく地山
の土質を、進入に先立つて知ることができ、土質
の変化が予測された場合、それに対応して作泥材
供給配管２３から噴射口３ｆへ供給する作泥材の
濃度、流量を予め準備しておくことが可能とな
る。

第６図に探査用ロツド１３の貫入終了した状態
を示す。

このように探査用ロツド１３が所定距離（本実
施例ではピストンを構成する大径部１３ａのスロ
トーク分）前進したら、油圧配管１５ｂの圧油を
開放しておく。そして、セグメント構築作業が終
了するのを待つて、掘進を開始する。掘進に伴つ
て、探査用ロツド１３は掘進力により再びセンタ
ーシヤフト４内に押し込まれ、第１図の状態、す
なわち格納状態にもどる。

以上の作用説明では、掘進機の掘進停止中に探
査用ロツド１３を貫入させるということで説明し
たが、貫入操作は掘進停止中に限ることなく、掘
進途中でも随時行うことができる。

探査用ロツド１３のストロークは、前方の地山
の土質を予測するという点からは長いに越したこ
とはないが、機械的損傷の可能性も考慮すると、
１〜２セグメント分程度が適当であろう。また、
掘進機の掘進速度が数cm／minと遅いことを考え
ると、それ程前方の土質を探査する必要はなく、
上記の程度で充分と考えられる。

上記実施例では、探査用ロツド１３がセンター
シヤフト４内を摺動し、必要に応じて随時、前方
地山の土質を探査できる構成となつている。これ
によれば、探査用ロツド常時土中にさらされてい
ないため、損傷しにくいという利点がある。ま
た、掘進停止中に探査ができるので、掘進中の土
砂の掘削による振動の影響を受けない状態、すな
わち外部振動による雑音が混入しない状態で、純
粋の貫入音だけを検出できるという利点もある。

しかし、本発明の本旨はこのような格納可能型
の探査用ロツドの形態に限るものでなく、第７図
に示すように、探査用ロツド１３を常時掘進機の
前面部から突出した形態として、シールドジヤツ
キ１２の作動によりシールド本体１が前進すると
きの推進力で探査用ロツド１３を地山に貫入さ
せ、その貫入音を検知するようにしたものも本発
明の技術的範囲に包含される（第７図で２４は探
査用ロツド１３の固定ボルトである）。

さらに、第１図の実施例では探査用ロツド１３
をセンターシヤフト４内に配置したが、掘進停止
中の探査に限定してよければ、探査用ロツド１３
をバルクヘツド２からカツターホイール３のスポ
ーク３ｂ、撹拌翼３ｃの間を通して前方に突出さ
せる構成としてもよいし、また、カツターホイー
ル３の回転のじやまにならないフード部１ａの外
周上に探査用ロツド１３を配置することもでき
る。

第８図において、２５はフード部１ａの外周に
装着された貫入用油圧シリンダ、２６は保護カバ
ー、２７は先端部にマイクロホン等の振動センサ
を内蔵した探査用ロツド、２８は保護カバー２６
内への土砂や水の侵入を防止するシールであり、
掘進停止時あるいは掘進中にかかわらず、前方地
山の土質を探査したいときに、油圧シリンダ２５
により探査用ロツド２７をフード部１ａの前端か
ら突出させ、前方の地山中に貫入させる。

第９図は、探査用ロツド２７のみをフード部１
ａの外周に固定した例で、探査用ロツド２７の先
端部を常時フード部１ａの前方に突出させてお
き、シールド本体１の前進時に地山中に貫入させ
る。

第８図、第９図のようにフード部１ａの外周部
から探査用ロツド２７を突出させることにより、
カツターホイール３がじやまになつたり、掘進停
止時しか貫入できないといつた制約を受けること
がなく、また探査用ロツドをセンターシヤフト４
内に設けた場合のようにシヤフト径を大きくする
必要もなく、掘進機の他の部分の構造を大きく変
えずに探査用ロツドを装備することができる。ま
た、油圧シリンダ２５、探査用ロツド２７等をフ
ード部外周上に複数組配置することも可能であ
り、例えば上下左右に４組設置すると、第３図の
ような地山の変化があつた場合、下部に設置した
ものがより早く地山の変化を検出し、続いて左
右、さらに上部と検出していくことにより、地層
の変化方向まで検出でき、より厳密な泥土管理が
可能となる。

上記実施例では、マイクロホンにより貫入音を
検出する例について説明したが、第４図におい
て、マイクロホン１９の代わりに加速度センサま
たはAEセンサを先端コーン部１７の金属面に密
着して取付け、先端コーン部１７の金属中を伝播
してくる振動を直接検出してもよい。また、マイ
クロホン、加速度センサ、AEセンサ等の振動セ
ンサに、貫入抵抗を検出するロードセル、土中の
間隙水の水圧を検出する圧力センサ等の他のセン
サを１個または複数個組合せて探査用ロツドに内
蔵させ、それらの信号を処理することにより、地
山の性状についてより多くの情報を提供すること
が可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、掘進に先立つて、掘進機前方
の地山の土質変化を検知できるので、それに対応
して作泥材の濃度、流量変える準備をしておくこ
とにより、泥土加圧式シールド掘進機における撹
拌室内の泥土状態を常に良好な状態に維持できる
という効果がある。また、本発明は、掘進機前部
のチヤンバ内に充満した掘削土砂に土質に応じ滑
材を注入して充満土砂の塑性流動化をはかる泥土
圧式シールド推進機や、掘進機前部の泥水室に所
定の比重・粘性の泥水を送水・加圧して堀削土砂
と共に流送する泥水式シールド掘進機にも同様に
適用でき、それぞれ上記に準じた効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の側断面図で、探査
用ロツドが格納された状態を示す。第２図は従来
のシールド掘進機の側断面図、第３図はシールド
掘進機の掘進中の地山変化の説明図、第４図は第
１図中の探査用ロツドの先端部を拡大して示す断
面図、第５図は本発明の原理説明図、第６図は第
１図に示す実施例の探査用ロツドが貫入終了した
状態図、第７図、第８図、第９図は探査用ロツド
の形態を異にする本発明の他の実施例の側断面図
である。 １……シールド本体、１ａ……フード部、２…
…バルクヘツド、３……カツターホイール、４…
…センターシヤフト、８……撹拌室、１３……探
査用ロツド、１４……貫入用シリンダ室、１５
ａ，１５ｂ……油圧配管、１７……先端コーン
部、１９……マイクロホン（振動センサ）、２１
……信号線、２２……処理装置、２５……貫入用
油圧シリンダ、２７……探査用ロツド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 掘進機の前面部から突出して前方の地山に貫
   入する探査用ロツドを備え、該探査用ロツドにロ
   ツド貫入時に発生する振動を電気信号に変換する
   振動センサを内蔵し、かつそのセンサ出力信号を
   処理して地山の土質情報を出力する処理装置を備
   えたことを特徴とするシールド掘進機。 ２ 探査用ロツドが、掘進機に付設した貫入装置
   により、随時掘進機前方に突出し得るように構成
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のシールド掘進機。 ３ 探査用ロツドが、シールド本体のフード部外
   周上に配置されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載のシールド掘進
   機。