JPH0730668B2 - 地中掘削機の地山崩壊監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は地中掘削機においてシールド本体と地山との
間に存在する泥水の厚さの変化を比抵抗の変化として捉
えるようにして地山の崩壊を監視する地山崩壊監視装置
の改良に関する。

〔従来の技術〕

シールド式地中掘削機は外側がスキンプレートで覆われ
ているため内部から掘進時の地山の状態を目視すること
ができない。そこで、通常はスキンプレートの上面にシ
ールド本体と地山との間隔を測定する地山崩壊監視装置
を設け、該監視装置の出力により地山の崩壊を検出する
ようにしている。

この種の地山崩壊監視装置としては、従来、（ａ）ロッ
ド貫入式（ｂ）超音波式（ｃ）電波式等があった。

しかし（ａ）のロッド貫入式のものは掘削停止時にのみ
測定が可能であり、連続測定が行なえないという問題点
がある。また（ｂ）の超音波式は固着土砂層が数cmでも
存在すると音が伝わらず測定不可能となる問題点があっ
た。そこで、実開昭59−977号公報においては清水柱内
で超音波を伝えるような構成としているが、この方式で
は構造が複雑になるとともに清水柱自体により地山崩壊
を助長するという危険性を有している。また（ｃ）の電
波式は地山崩壊検出といった数cm〜数10cm程度の近距離
計測には不向きである問題点がある。

そこでかかる問題点を解決すべく、特開昭61−38092号
公報ではシールド本体と地山との間に存在する泥水の厚
さの変化を比抵抗の変化として捉える比抵抗方式を用い
て地山の崩壊を検出するようにしている。この比抵抗方
式においては、第10図に示す如く、地中掘削機のスキン
プレート面１に絶縁板10を介して一対の通電電極2,3と
一対の検出電極4,5とを等間隔に設け、この通電電極2,3
に交流定電流源６から交流電流を供給することにより泥
水７と地山８から成る電気的二重層に通電するととも
に、前記通電によって検出電極4,5間に生じる電圧を電
圧計測器９で計測するようにしている。そして、この電
圧計測器９により計測された電圧の変化から地山崩壊に
よる空洞の存在を泥水厚さｄの変化として検出するよう
にしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

かかる比抵抗方式による従来技術によれば、先の従来方
式のところで述べた連続計測、土砂付着及び近距離計測
に関する問題点は解決されるが、この比抵抗方式の測定
装置を実際にシールド機械に装着すると、金属から成る
シールド本体（スキンプレート）の影響によりシールド
本体を介した電気力線のパスが生じ、この結果検出電極
4,5付近の電気力線が減少し、ひいては検出可能な泥水
厚ｄが短かくなるという問題点がある。すなわち、この
種のシールド掘削機においてはシールド本体１は金属で
形成されているため、交流電源の正の半サイクルにおい
ては第11図及び第12図に示す如く、電極２→泥水７→地
山８→電極３という経路を辿る正規の電気力線（実線で
示す）の他に、電極２→泥水７→シールド本体１→泥水
７→電極３という径路を辿る電気力線の回り込み（破線
で示す）を生じ、この結果正常な径路を辿る電気力線が
減小することになる。

第13図は、300cm×100cmの絶縁板10に60cm間隔で４個の
電極2,3,4及び５を設けた測定装置に対し、100mAの交流
電流を加え、粘性係数6000CP（centi-poise）のベント
ナイトの泥水厚ｄを測定した実験結果である。同第13図
中、実線は測定装置をシールド本体に装着した場合、破
線はシールド本体に装着しない場合の実験結果である
が、このように、この従来装置においては、測定装置を
シールド本体に取付けた場合前述した電気力線の回り込
みにより泥水厚対測定電圧のカーブの傾きが鈍くなる、
すなわち泥水厚の変化に対応する測定電圧の変化が小さ
くなるという問題点がある。

更に、この種シールド掘削機の性質上、測定装置の電極
間隔を大きくすることは実用上無理であり、測定装置と
しては前述の実験で用いた300×100（cm）程度（電極間
隔60cm）のものが適当であり、更に小型化されたほうが
より好ましい。しかし、この従来装置では、電極間隔を
60cm程度とした場合でさえ、検出可能な泥水厚は第13図
に示した如く最大でも10cm程度であるため、装置を更に
小型化をした場合はシールド本体（金属）の影響が更に
大きくなり、この結果検出距離が更に短くなるという問
題点がある。

この発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、シ
ールド本体を介した電気力線の回り込みを排除して検出
電極付近の電気力線を増加させることにより泥水厚の変
化に対する測定電圧の応答性を向上させるとともに泥水
厚についての検出距離を引き伸ばすようにする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこでこの発明では、前記通電電極及び検出電極を囲繞
する一対の囲繞電極を設け、各囲繞電極をシールド本体
と各別に電気接続して通電するようにする。

〔作用〕

前記囲繞電極からシールド本体に至る電気力線は、通電
電極からシールド本体に至る電気力線に対して反発する
よう作用するため、前記通電電極の通電サイクルに同期
してこれら一対の囲繞電極の通電を行なうようにすれ
ば、一方の通電電極→泥水→シールド本体→泥水→他方
の通電電極という径路を辿る電気力線の回り込みが抑止
され、この結果検出電極付近の電気力線が増大する。

〔実施例〕

以下、添付図面にしたがって本発明の一実施例を説明す
る。尚以下の実施例において先の第10図に示した従来装
置と同じ構成要素については同一符号を付している。

第３図はシールド掘削機の概略断面構成例を示すもの
で、このシールド掘削器はカッタヘッド20を回転駆動し
て土砂、岩盤等の掘削を行なう。カッタヘッド20の背部
にはシールド本体１が設けられており、このシールド本
体１の上部に地山崩壊監視装置の電極部21が設けられて
いる。

第１図は、電極部21の平面構成例を示すもので、この電
極部21はトラック形状の誘電体部材10に、一対の通電電
極2,3と一対の検出電極4,5とを列設し、これら４個の電
極２〜５の回りに一対のＵ字状の囲繞電極30,31を配設
するようにしている。

第２図は、これら電極に対する電気接続構成例を示すも
ので、通電電極2,3には交流電源６を接続し、これら通
電電極2,3に交流電圧を加えることにより泥水７及び地
山８に通電を行ない、検出電極４及び５間に生じる電位
差を電圧計測部９で検出するようにする。また、囲繞電
極30及び31は夫々シールド本体１と各別の電極ペアを構
成するよう接続し、これら囲繞電極30,31及びシールド
本体１で構成される各電極ペアに交流電源40,41を接続
するようにする。すなわち、交流電源6,40,及び41で第
３図の電源回路25を構成する。また、電圧計測部９で検
出された電圧値は信号処理部45へ入力され、ここで、地
山８とシールド本体１との間の泥水厚ｄが算出される。

第４図（ａ）（ｂ）及び（ｃ）はこれら交流電源6,40及
び41から供給される交流電圧を夫々示すもので、交流電
源40及び41から供給される交流電圧は半波整流され、か
つこれらの位相は180度ずれている。

かかる構成によれば、交流電源６の正の半サイクル時に
は第５図及び第６図に示すように通電電極２→泥水７→
地山８→通電電極３と経由する電気力線（実線で示す）
が発生するとともに、囲繞電極30から泥水７を経由して
シールド本体１に向う電気力線（破線で示す）が発生す
る。これら電気力線は反発し合うため、従来装置で問題
となっていた通電電極２からシールド本体１へ向う電気
力線が無くなり、検出電極４及び５の付近の電気力線が
増大する。この結果泥水厚ｄの変化に対して電極４−電
極５間の電圧がより敏感に変化するようになり、検出距
離も従来装置に比べて格段と長くなる。

また、交流電源６の負の半サイクル時は、第５図と逆で
あり、通電電極３→泥水→地山８→通電電極２と経由す
る電気力線が発生するとともに、囲繞電極31から泥水７
を経由してシールド本体１に向う電気力線が発生する。
これら電気力線も前述と同様反発し合うため、この負の
半サイクル時においても検出電極4,5付近の電気力線が
増大することになる。

第７図は電源回路25の内部構成例を示すものであり、か
かる回路によって第４図に示した各交流電圧波形を出力
する。

第７図において発振器50の出力はアンプ51に入力される
とともに、遅延回路52を介してアンプ53へ入力される。
アンプ53に入力された交流電圧はトランス54を介して電
極２及び３へ加えられる。他方アンプ51に入力された交
流電圧はトランス55を介してトランジスタ56及び57に加
えられる。これらトランジスタ56及び57の各ベースには
アンプ58及び反転アンプ59を介した発振器50の出力がド
ライブされており、この為囲繞電極30及び31には夫々第
４図（ｂ）及び（ｃ）に示すような電圧が供給される。
したがって、正の半サイクル時には囲繞電極30側のみが
オンとなり、また負の半サイクル時には囲繞電極31側の
みがオンとなる。尚、遅延回路52は通電電極2,3と囲繞
電極30,31とに供給する交流電圧が同位相となるよう
に、アンプ53への入力を遅延する動作を行なうものであ
る。

第８図は検出電極4,5間の電圧を信号処理するための構
成例を示すものであり、電極4,5間の電圧は電圧検出部
９で検出され、その検出値はA/D変換器60を介して信号
処理部45に入力される。また、このシールド掘削機を推
進するための推進ジャッキリンダ61には、該シリンダと
連動するストロークセンサ62が設けられており、このス
トロークセンサ62の移動位置はポテンショメータ63によ
って検出され、対応する電圧値がアンプ64、A/D変換器6
5を介して信号処理部45に入力される。信号処理部45に
は、泥水粘度毎に検出電圧−泥水厚の対応テーブルが複
数個予め記憶されている。したがって、作業開始時当該
掘削時における泥水粘度を入力しておくようにすれば、
信号処理部45では入力された泥水粘度についての検出電
圧−泥水厚対応テーブルに基づき、電圧検出部９から入
力された電圧値に対応する泥水厚ｄを逐次求め、これを
ストロークセンサ62によって検出されたストローク長と
対応付けることにより、表示部66に泥水厚−ストローク
長のグラフを表示するようにする。尚、この場合表示部
66にはリング数も自動的またはオペレータ操作により表
示できるようになっている。

このように、この実施例では通電電極2,3と検出電極4,5
とを囲繞する一対のＵ字状の囲繞電極30,31を設け、こ
の囲繞電極30,31を通電電極2,3の交流通電サイクルに対
応させてオン・オフ通電するようにして、一方の通電電
極からシールド本体へ向う電気力線を排除するようにし
たので、検出電極4,5付近の電気力線を密にすることが
でき、これにより、泥水厚の変化に対応して検出電圧が
より敏感に変化するようになり、ひいては検出距離を長
くすることができる。

なお、本発明は上記実施例に限らず適宜の変更実施が可
能なものであり、囲繞電極30,31の形状は上記実施例に
示したものに限らず、他に、第９図に示すような形状も
考えられる。この場合、誘電体部材10の長方形形状に合
せて囲繞電極30,31を凹字状としている。その他、第７
図、あるいは第８図に示した回路構成も同等の機能を達
成できるものに変更可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、通電電極及び検
出電極を囲繞する一対の囲繞電極を設け、この囲繞電極
によりシールド本体へ向う電気力線を排除するようにし
たので、検出電極付近の電気力線が増大することにな
り、この結果検出距離が従来に比べ大幅に伸びるととも
に、出力電圧の応答性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例装置の電極部を例示する平
面図、第２図は同電極部の断面及び電気接続例を示す
図、第３図は同電極部のシールド掘削機への配置例を示
す概略断面図、第４図は交流電源波形の一例を示す図、
第５図は同実施例装置により発生する電気力線を示す断
面図、第６図はその平面図、第７図は電源回路の内部構
成例を示す回路図、第８図は信号処理部等の構成例を示
す図、第９図はこの発明の他の実施例を示す平面図、第
10図は従来装置を示す図、第11図は従来装置により発生
する電気力線を示す断面図、第12図はその平面図、第13
図は従来装置による測定電圧と泥水厚との関係を示すグ
ラフである。 １……シールド本体、2,3……通電電極、4,5……検出電
極、6,40,41……交流電源、７……泥水、８……地山、
９……電圧計測部、10……誘電体部材、20……カッタヘ
ッド、25……電源回路、30,31……囲繞電極、45……信
号処理部、50……発振器、52……遅延回路、61……推進
ジャッキシリンダ、62……ストロークセンサ、63……ポ
テンショメータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールド本体の上部に誘電体部材を介して
   一対の通電電極を設けるとともにこれら一対の通電電極
   間に少なくとも一対の検出電極を設け、前記一対の通電
   電極を通電したときに前記少なくとも一対の検出電極間
   に生じる電圧を検出し、この検出値に基づきシールド本
   体と地山との間の泥水厚を測定するようにして地山崩壊
   を監視する地中掘削機の地山崩壊監視装置において、 前記誘電体部材に前記通電電極及び検出電極を囲繞する
   一対の囲繞電極を設け、各囲繞電極をシールド本体と各
   別に電気接続して通電するようにしたことを特徴とする
   地中掘削機の地山崩壊監視装置。