JPH0559882A - シールド掘進機における切羽探知レーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シールド掘進機の切羽の土層断面がどのよう
に変化しているかを、視覚的に判り易く表示することが
できるシールド掘進機における切羽探知レーダー装置を
提供すること。 【構成】 シールド掘進機の回転面板に送信アンテナお
よび受信アンテナを隣接配置し、前記回転面板の回転に
伴う送信アンテナおよび受信アンテナの移動軌跡に沿っ
て、切羽の土質が順次検出されていき、そのときの回転
面板の回転角度は角度検出部３８により検出されてい
く。そして、断面データ作成部５２は、判別土質と検出
回転角度とに基づき土層断面の探査データを作成しメモ
リ５４に書込んでいく。そして、探査画像演算部５６
は、メモリ５４に記憶された各土層断面の探査データに
基づき、複数の土層断面の探査画像をディスプレー４６
上に所定の組合せで時系列表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールド掘進機におけ
る切羽探知レーダー装置、特にシールド掘進機の切羽の
土層を検出し、土層断面探査画像としてディスプレイ上
に表示する切羽探知レーダー装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】都市トンネルなどの施工法としてシール
ド工法が広く用いられているが、このシールド工法にお
いては、カッターの回転数や切羽側への負荷圧力などの
掘削条件を適切に設定し、安全かつ確実な施工を行うこ
とが要請される。このような施工管理の適正化を図るた
め、掘進経路の探査を行うことが必要となり、この探査
方式の１つとして、シールド掘進機の回転面板に送信ア
ンテナおよび受信アンテナを設け、電磁波の送受波によ
って切羽前方の状態の探査や土質判別を行う方式が開発
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この切羽探知レーダー
装置は、カッターを装着したシールド掘進機の回転面板
に送受信アンテナを取り付け、切羽前方に向け高周波の
パルス状電波を送受信することで切羽の土質判別を行
い、その判別結果に基づき、切羽の土層断面探査画像を
ディスプレイ上に表示していた。

【０００４】このように、前記切羽探知レーダー装置で
は、ディスプレー上に切羽の土層断面探査画像をリアル
タイム表示ができるため、現在の土層断面の状態を正確
に把握できる反面、この画像情報だけからでは、土層断
面がどのように変化しいていくかを視覚的に判断するこ
とは難しいという問題があった。

【０００５】すなわち、シールド掘進機を用いて掘削す
る地中の土層は連続的に変化するため、前記切羽探知レ
ーダー装置のように、土層のある一断面をディスプレー
上に表示していも、その断面情報からだけでは土層が次
にどのように変化していくかを正確に把握することがで
きない。

【０００６】本発明は、このような従来の課題に鑑みな
されたものであり、その目的は、シールド掘進機の切羽
の土層断面がどのように変化しているかを、視覚的に判
り易く表示することができるシールド掘進機における切
羽探知レーダー装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、シールド掘進機の回転面板に隣接配置さ
れた送信アンテナ及び受信アンテナを用い、切羽前方に
向け探知用電磁波を繰り返し送受信し、切羽の土層を検
出するシールド掘進機における切羽探知レーダ装置おい
て、前記回転面板の回転角度を検出する角度検出部と、
前記受信アンテナの受信信号に含まれる表面伝播波に基
づき切羽の土質を判別する土質判別部と、前記検出回転
角度と判別土質とに基づき、前記回転面板に隣接配置さ
れた送信アンテナ及び受信アンテナの切羽探査範囲に沿
った土層断面の探査データを作成する断面データ作成部
と、作成された各土層断面の探査データを記憶する断面
データ記憶部と、前記断面データ記憶部に記憶された各
土層断面の探査データに基づき、複数の土層断面の探査
画像をデイスプレー上に所定の組合わせで時系列表示す
る探査画像演算部と、を含むことを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明の切羽探知レーダー装置は、シールド掘
進機の回転面板に送信アンテナおよび受信アンテナを隣
接配置している。従って、前記回転面板の回転に伴う送
信アンテナおよび受信アンテナの移動軌跡に沿って、切
羽の土質が順次検出されていき、そのときの回転面板の
回転角度は角度検出部により検出されていく。

【０００９】そして、断面データ作成部は、判別土質と
検出回転角度とに基づき、前記回転面板に隣接配置され
た送信アンテナおよび受信アンテナの切羽探査範囲に沿
った土層断面の探査データを作成し、断面データ記憶部
に書込んでいく。

【００１０】そして、探査画像演算部は、前記断面デー
タ記憶部に記憶された各土層断面の探査データに基づ
き、複数の土層断面の探査画像をディスプレー上に所定
の組合せで時系列表示する。例えば、現在リアルタイム
で検出されている土層断面の探査画像と、その前に検出
された複数の土層断面の探査画像とを、ディスプレー上
に時系列表示する。これにより、土層断面の変化が、視
覚的に確実に把握されることになる。

【００１１】また、請求項２の発明によれば、例えば土
層断面の変化を詳細に検討したい場合には、各土層断面
の探査データを連続的に呼び出して時系列表示すればよ
く、また土層断面の全体的な変化を把握したい場合に
は、土層断面の探査データを２つあるいは３つおきに呼
び出して時系列表示することもできる。

【００１２】このように、本発明によれば、従来は１つ
の土層断面の探査画像しか表示されなかったものを、複
数の土層断面の探査画像を表示し、かつこれら複数の断
面の探査画像を時系列表示することにより、ディスプレ
ー上に表示される画像から、土層断面の変化の様子を視
覚的に正確に把握し、これにより、掘削条件を適切に設
定し、安全かつ確実な施工を行うことが可能となる。

【００１３】

【実施例】次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳
細に説明する。

【００１４】図２には、本発明が適用されたシールドシ
ステムの好適な一例が示され、実施例のシステムは、ト
ンネルＴの掘削に用いられるシールド掘進機Ｓと、この
掘進を制御するよう地表部に設けられた中央制御室３０
０とを有する。

【００１５】前記シールド掘進機Ｓは、シールド１０の
前部に隔壁１２を設け、この隔壁１２の切羽２２側に、
トンネル坑内と隔絶された密閉空間をシールドチャンバ
ーとして形成する。このシールドチャンバー１４内は注
水パイプ１６から供給される泥水によって満たされる。

【００１６】シールドチャンバー１４の前面には、後述
するカッターを供えた回転面板２０が設けられ、この回
転面板２０を図示しない駆動装置により回転駆動するこ
とにより切羽２２の掘削が行われる。削り取られた土砂
は、シールドチャンバー１４内に取り込まれ、泥水と撹
拌され、スラリー化された後、排水パイプ１８から排出
される。

【００１７】図３には、前記回転面板２０を表面から見
た図が示されている。この回転面板２０には、ケーシン
グに収められた送信アンテナ２４および受信アンテナ２
６がその円周方向に隣接配置され、切羽前方に向けパル
ス状の電波を送受信し、切羽前方の状態を探査するよう
になっている。

【００１８】この回転面板２０には、これ以外にもカッ
ター２８や、掘削した土砂をシールドチャンバー１４内
に取り込むスリット３０、スリット開閉装置３２などが
設けられ、さらに開閉式マンホール３４などの種々の設
備が設けられている。従って、前記送受信アンテナ２
４，２６は、これら必要不可欠な装備の取り付けに邪魔
にならないよう、面板２０の外周部寄りに配置されてい
る。

【００１９】図４には、前記送信アンテナ２４および受
信アンテナ２６を用いて構成された切羽探知レーダーシ
ステムの原理図が示されている。このシステムは、特開
平2-28586 号公報として本出願人によりすでに出願され
ているため、ここではその詳細な説明は省略する。

【００２０】このシステムは、面板２０に設けられた送
信アンテナ２４および受信アンテナ２６を制御し、送信
アンテナ２４から切羽前方に向け高周波のパルス状電波
を送受信するものである。このとき受信される電波に
は、地中内に存在する反射物１５０からの反射波２００
と、送信アンテナ２４から受信アンテナ２６へ直接伝播
される表面伝播波２１０とがある。

【００２１】図５には、この受信波形の一例が示されて
いる。

【００２２】ここで反射波２００からは、地中内に存在
する反射物１５０（例えば埋もれ木、地中構造物）など
が捉えられる。

【００２３】表面伝播波２１０からは、切羽２２の土質
の判別などができる。表面伝播波２１０は、送信アンテ
ナ２４および受信アンテナ２６を別体のものとして形成
した場合に見られるものである。伝播距離は最も短いこ
とから、図５に示すよう受信波形の先頭に記録される。
表面伝播波２１０は、切羽２２の領域を通過する波であ
るため、反射物の存在にかかわらず、必ず記録されると
いう特殊性を有する。

【００２４】前記受信アンテナ２６の受信信号は、送受
信器３６を介して前方探査回路４０へ入力されるように
なっている。

【００２５】また、前記回転面板２０の回転角度は、角
度センサー３８により検出され、この検出角度は前方探
査回路４０へ入力されるようになっている。ここで角度
センサー３８により検出される回転角度は、送信アンテ
ナ２４および受信アンテナ２６の探査位置を特定するの
に用いられ、これら送受信アンテナ２４，２６が回転面
板２０の１２時の位置にあるときの角度を０度とし、こ
れを時計方向に０から３６０度まで１度ずつ検出出力す
る。

【００２６】また、前記回転面板２０の掘削位置は、掘
削位置入力部４８から前方探査回路４０へ入力されるよ
うになっている。この掘削位置は、シールド掘進機の作
業員がその都度入力するようにしてもよい。また、図２
に示すよう、トンネル構内に壁面構築用のセグメント１
５をセットするごとに、自動的にそのセグメントナンバ
ーが入力され、このセグメント１５の端面を基準位置と
して、プレスジャッキーがどの程度伸縮するかにより回
転面板２０の掘削位置を自動的に検出し、前方探査回路
４０へ入力するようにしてもよい。本実施例は、後者の
方式のものを採用している。

【００２７】前記前方探査回路４０は、受信信号に含ま
れる反射波２００から地中内に存在する反射物１５０の
探査を行う反射波演算部４２と、受信波形に含まれる表
面伝播波２１０から切羽２２の土質判別を行う表面伝播
波演算部４４を含む。ここでは、反射波２００による切
羽前方探知の説明は省略し、以下、表面伝播波２１０に
よる切羽２２の土質判別について詳細に説明する。

【００２８】図６には、前記表面伝播波演算部４４の具
体的な構成が示されている。実施例の表面伝播波演算部
４４は、土質判別部５０，断面データ作成部５２，メモ
リ５４および探査画像演算部５６を含む。

【００２９】土質判別部５０は、受信アンテナ２６で受
信される信号に含まれる表面伝播波２１０の伝播時間，
減衰率などに基づき切羽２２の土質判別を行い、その判
別データを断面データ作成部５２へ向け出力する。この
土質判別は、受信信号が入力されるごとに繰り返して行
われる。実施例では、１秒間に数十回以上の電波の送受
信を行っているため、送受信アンテナ２４，２６の前面
における切羽の土質判別はほぼリアルタイムで行われる
ことになる。

【００３０】断面データ作成部５２は、このように入力
される土質判別データと、角度センサー３８から入力さ
れる回転角度信号とに基づき、土質判別データを１度ご
とにメモリ５４へ記憶していく。従って、回転面板２０
が、基準角０度から３６０度回転すると、メモリ５４内
には、一断面分の探査データとして３６０度分の土質デ
ータが記憶されることになる。

【００３１】図７は、回転面板２０を１回転したときに
おける送受信アンテナ２４，２６による切羽探査範囲９
０を表したものであり、同図に示すよう、この切羽探査
範囲９０は図中斜線で示すリング状の範囲となる。この
とき切羽２２の土層が、細砂層，砂質シルト層，シルト
層から構成されている場合を想定すると、メモリ５４に
記憶されている一断面分の探査データは、回転角が０か
らθ１の範囲で細砂層、θ１からθ２の範囲で砂質シル
ト層、θ２からθ３の範囲でシルト層、θ３からθ４の
範囲で砂質シルト層、θ４から３６０度の範囲で細砂層
となる。

【００３２】断面データ作成部５２は、図７に示すよう
に作成した土層断面の探査データを、回転面板２０の掘
削位置データとともにメモリ５４へ順次書込み記憶す
る。

【００３３】したがって、メモリ５４には、各土層断面
の探査データが、その掘削位置データとともに順次書込
まれていくことになる。

【００３４】そして、探査画像演算部５６は、このよう
にしてメモリ５４に記憶された各土層断面の探査データ
に基づき、各土層断面の探査画像を、ＣＲＴ４６上に時
系列表示する。実施例の探査画像演算部５６は、図１に
示すよう、ＣＲＴ４６上に任意の組合わせで５個の土層
断面の探査画像１００−ａ，１００−ｂ，…１００−ｅ
を時系列表示するよう形成されている。

【００３５】また、実施例の切羽探知レーダ装置では、
探査画像演算部５６による表示条件を設定するために表
示条件入力部５８が設けられている。

【００３６】この表示条件入力部５８は、切羽探知レー
ダ装置の操作員がＣＲＴ４６上に表示したい掘削位置お
よび時系列表示する土層断面の組合せ条件を入力するよ
う形成されている。

【００３７】例えば、メモリ５４内に、図８に示すよう
に各掘削断面１００−１，１００−２，１００−３…の
探査データが記憶されている場合を想定する。ここにお
いて、１００−１は、断面データ作成部５２が作成した
最も新しい土層断面である。

【００３８】そして、表示条件入力部５８から、現在掘
削中の土層断面のデータを、連続的に時系列表示するよ
う表示条件が入力されると、探査画像演算部５６は、土
層断面１００−１，１００−２，１００−３，１００−
４，１００−５の断面データをメモリ５４から読み出
し、各断面データから探査画像を演算する。そして、図
１に示すよう、各土層断面１００−１，１００−２，…
１００−５の探査画像を、リング状の画像１００−ａ，
１００−ｂ，１００−ｅとして時系列表示する。

【００３９】これにより、図８に示すｘ１の範囲の土層
断面の変化の様子を視覚的に把握することができる。

【００４０】また、表示条件入力部５８から、各土層断
面の探査画像を、１つおきに時系列表示するよう表示条
件が入力されると、探査画像演算部５６は、メモリ５４
から、土層断面の探査データを１つおきに呼び出し（１
００−１，１００−３，１００−５，１００−７，１０
０−９の土層断面の探査データ）、ＣＲＴ４６上に探査
画像１００−ａ，１００−ｂ，…１００−ｅとして時系
列表示する。

【００４１】これにより、ＣＲＴ４６上に表示される画
像から、図８に示すｘ２の範囲の土層断面の変化の様子
を視覚的に把握することができる。

【００４２】同様に、各土層断面の探査画像を、３つお
き、あるいは４つおき等の、任意の組合せで時系列表示
させることもできる。

【００４３】また、現在掘削中の土層断面の探査画像以
外にも、表示条件入力部５８から任意の位置を指定する
ことにより、当該位置における土層断面の探査画像も同
様に時系列表示させ、トンネルの保守点検や、トンネル
工法の分析，改善等に活用することができる。

【００４４】このように、本実施例に係る切羽探知レー
ダ装置によれば、トンネルの任意の位置における土層断
面の探査画像を時系列表示し、土層断面の変化の様子を
視覚的に、かつ直観的に正確に把握することが可能とな
る。

【００４５】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で各種の変形実施が
可能である。

【００４６】例えば、前記実施例ではＣＲＴ４６上に５
つの土層断面の探査画像を時系列表示する場合を例にと
り説明したが、本発明はこれに限らず、必要に応じて任
意の数の探査画像を時系列表示するようにしてもよい。

【００４７】さらに、前記実施例では、複数の土層断面
の探査画像を横並びに時系列表示する場合を例にとり説
明したが、本発明はこれに限らず、例えば図９に示すよ
う、複数の土層断面の探査画像１００−ａ，１００−
ｂ，１００−ｃを同心円状に画像表示するようにしても
よい。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
土層断面の探査画像と、その前に検出された土層断面の
探査画像とを、ディスプレー上に時系列表示することに
より、シールド掘進機の切羽の土層断面がどのように変
化しているかを、視覚的に判り易く判別することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の切羽探知レーダー装置の土層断面探
査画像の説明図である。

【図２】本発明のレーダー装置を搭載したシールド掘進
機の全体概略説明図である。

【図３】図２に示すシールド掘進機の回転面板を正面か
ら見た説明図である。

【図４】本発明の切羽探知レーダー装置の原理説明図で
ある。

【図５】図４に示す切羽探知レーダー装置の受信波形の
説明図である。

【図６】図４に示す装置の表面伝播波演算部の具体的な
回路構成を示すブロック図である。

【図７】実施例のレーダー装置の切羽探査範囲を表す説
明図である。

【図８】探査データが作成される各土層断面の説明図で
ある。

【図９】土層断面の探査画像の時系列表示を示す、他の
実施例の説明図である。

【符号の説明】

２０ 回転面板 ２２ 切羽 ２４ 送信アンテナ ２６ 受信アンテナ ３８ 角度センサー ４０ 前方探査回路 ４４ 表面伝播波演算部 ４８ 掘削位置入力部 ４６ ＣＲＴ ５０ 土質判別部 ５２ 断面データ作成部 ５４ メモリ ５６ 断面画像演算部 ５８ 表示条件入力部
ＴＤ００４００２

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 舘川 裕次 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 請川 誠 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド掘進機の回転面板に隣接配置さ
   れた送信アンテナ及び受信アンテナを用い、切羽前方に
   向け探知用電磁波を繰り返し送受信し、切羽の土層を検
   出するシールド掘進機における切羽探知レーダ装置おい
   て、 前記回転面板の回転角度を検出する角度検出部と、 前記受信アンテナの受信信号に含まれる表面伝播波に基
   づき切羽の土質を判別する土質判別部と、 前記検出回転角度と判別土質とに基づき、前記回転面板
   に隣接配置された送信アンテナ及び受信アンテナの切羽
   探査範囲に沿った土層断面の探査データを作成する断面
   データ作成部と、 作成された各土層断面の探査データを記憶する断面デー
   タ記憶部と、 前記断面データ記憶部に記憶された各土層断面の探査デ
   ータに基づき、複数の土層断面の探査画像をデイスプレ
   ー上に所定の組合わせで時系列表示する探査画像演算部
   と、 を含むことを特徴とするシールド掘進機における切羽探
   知レーダ装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記探査画像演算部は、 前記断面データ記憶部から任意の組合わせで複数の土層
   断面の探査データを読出し、これら各土層断面の探査画
   像をデイスプレー上に時系列表示することを特徴とする
   シールド掘進機における切羽探知レーダ装置。