JPH074176A - シールド工事における地山崩壊探査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シールド工事において、軟弱地盤でも地山部
と崩壊部の境界の判定を容易に精度良く行えるととも
に、地層が変化している場合、その地層変化を把握した
上で地山崩壊量を正しく評価できるようにする。 【構成】 振動センサ１１と荷重センサ１２を内蔵した
探査用ロッド１０をシールド本体１の外周面から地中に
貫入させて、貫入ストロークを横軸とし、振動センサ出
力値と貫入抵抗を縦軸とするグラフ上で振動センサ出力
値および貫入抵抗が変化する変曲点を見出し、さらに変
曲点の前後の区間での振動センサ出力値と貫入抵抗から
事前に求めた較正データ上で各区間の土質を判別し、さ
きに求めた変曲点と貫入抵抗に土質を加えた複数の情報
から地山崩壊量を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はシールド工事における地
山崩壊探査方法に係り、さらに詳しくいえば、地表面陥
没などの事故を未然に防止するためにシールド周辺地山
の崩壊状況を探査する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来技術としては、図８に示す
ように、先端に土圧計３１を備えた探査用ロッド３０を
油圧ジャッキなどの貫入装置３２によりシールド本体１
の外周面から地中に貫入させ、土圧計受圧面の圧力変化
により土圧計３１が地山に接触したと判断し、そのとき
の探査用ロッド３０の貫入ストロークを地山までの距離
すなわち地山崩壊量とする方法がある。なお、図８にお
いて、３３は土圧計３１の出力信号を増幅する増幅器、
３４は貫入装置３２を作動させる油圧切換弁、３５は流
量計式のストロークセンサ、３６は表示盤、３７は土圧
表示計、３８はストローク表示計、３９はシールド周辺
の乱されていない地山部、４０は掘削の影響によりゆる
みを生じた崩壊部、Ｓは地山崩壊量を示す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、探査
用ロッドの先端土圧が相対的に上昇する現象のみをとら
えて地山の崩壊位置および崩壊量を推定しようとするも
のであるため、以下述べるような問題点を有していた。

【０００４】（１）軟弱地盤では、ロッド先端の圧力変
化が顕著に現われない場合がある。その場合は、地山の
土質、深度、土圧計受圧面の面積などを考慮して、ある
一定の地山接触圧力が立ったときの貫入ストロークを地
山までの距離としているが、対象地山の土質を事前に把
握しておく必要があり、そのために別途手段を講じなけ
ればならない。

【０００５】（２）貫入方向で地層が変化している場
合、地層変化により探査用ロッドの先端土圧が変化して
しまい、例えば砂層から粘性土層への急激な地層変化が
あった場合、粘性土層では砂層に比べて先端土圧が小さ
くなるため、崩壊量が大きくなったとの誤った判断を下
す可能性がある。また、掘進方向で地層が変化している
場合、砂層での崩壊位置土圧が粘性土層での崩壊位置土
圧より高いため、地層が粘性土層から砂層に変化したと
き、崩壊しているにも拘らず崩壊していないとの誤った
判断を下す可能性があるといったように、地層の変化を
把握できないことによる判断ミスが生じやすい。

【０００６】本発明の目的は、軟弱地盤での地山部と崩
壊部との境界の判定が容易で、地山崩壊量を精度良く求
めることができ、また地層が変化している場合には、そ
の地層変化を把握した上で地山崩壊量を正しく評価でき
るようにしたシールド工事における地山崩壊探査方法を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１記載の発明は、振動センサと荷重センサとを
内蔵した探査用ロッドをシールド外周面から地中に貫入
させ、ロッド貫入時に発生した振動を検出する振動セン
サの出力信号、貫入抵抗を検出する荷重センサの出力信
号および貫入ストロークを検出するストロークセンサの
出力信号を処理装置に入力して、ストロークを横軸と
し、振動センサ出力値および貫入抵抗を縦軸とするグラ
フを出力させ、このグラフ上で振動センサ出力値および
貫入抵抗が変化する変曲点を見出し、さらに、あらかじ
め土の粒径別に求めた振動センサ出力値と貫入抵抗との
関係から変曲点の前後のストローク区間での振動センサ
出力値と貫入抵抗とに対応する各区間ごとの土質を判別
し、さきに求めた変曲点と、その前後のストローク区間
での貫入抵抗に各区間ごとの土質を加えた複数の情報か
ら地山の崩壊量を推定することを特徴とする。

【０００８】請求項２記載の発明は、前記グラフ上で変
曲点を見出せなかった場合、あらかじめ土の粒径別に求
めた振動センサ出力値と貫入抵抗との関係から全ストロ
ーク区間を通しての振動センサ出力値と貫入抵抗のそれ
ぞれの平均的な値に対応する土質を判別し、今回の探査
で得られた貫入抵抗および土質の各情報を掘進方向後方
地点での前回探査時に得られた貫入抵抗および土質の各
情報とそれぞれ比較することによって地山の崩壊量を推
定することを特徴とする。

【０００９】

【作用】振動センサは探査用ロッドを地中に貫入させた
際に外部の土粒子の破砕や土粒子相互の摩擦により発生
する振動およびロッド先端と土との摩擦により発生する
振動を電気信号に変換して出力するもので、具体的には
加速度センサまたはＡＥ（アコースティック エミッシ
ョン）センサなどが用いられる。

【００１０】荷重センサは探査用ロッドの先端が受ける
静的貫入抵抗を電気信号に変換して出力し、ストローク
センサは探査用ロッドの貫入ストロークを電気信号に変
換して出力する。

【００１１】特開昭６３−２７９１４１で詳しく述べら
れているように、振動センサとして加速度センサを用い
た場合、探査用ロッドを地中に貫入させた際に検出され
る振動加速度の実効値は土の粒径によって異なり、粒径
が大きいほど実効値レベルは大きくなる傾向がある。た
だし、同じ土でも締まり具合によって実効値レベルは異
なり、密度あるいは拘束圧が増加するとともに実効値レ
ベルは大きくなる。また、これに伴って荷重センサで検
出される貫入抵抗も増加する。

【００１２】図４のように縦軸に振動加速度の実効値レ
ベルを、横軸に貫入抵抗をそれぞれとり、両対数グラフ
で表わすと、どの土質においても貫入抵抗の増加ととも
に振動加速度の実効値レベルがほぼ直線的に増加し、そ
の実効値レベルの増分（図における直線の傾き）は土質
によって異なり。土の粒径が大きいほど、傾きが大きく
なること、直線の延長はほぼ同じ点に集まることがわか
っている。

【００１３】本発明では、図４に示したような土の粒径
別の振動加速度と貫入抵抗との関係を事前に較正データ
として求めておき、以下述べるように崩壊探査を行う対
象地山の土質判別に利用する。

【００１４】振動センサとして加速度センサを用いた場
合を例にとって説明すると、地山崩壊探査の手順とし
て、まず探査用ロッドをシールド外周面から地中に貫入
させ、このときの加速度センサ、荷重センサおよびスト
ロークセンサのそれぞれの出力信号を処理装置に入力し
て、ストロークを横軸とし、振動加速度（実効値）と貫
入抵抗を縦軸とするグラフを出力させる。このグラフ上
で振動加速度と貫入抵抗の変曲点が見出された場合は、
事前に求めた較正データ上で変曲点の前後のストローク
区間での振動加速度と貫入抵抗とに対応する各区間の土
質を判別する。その結果、両区間の土質が同じであれ
ば、変曲点を地山部と崩壊部との境界と認識でき、両区
間の土質が同じでなければ、貫入方向で地層の変化があ
ったことがわかるので、その地層変化を把握した上で地
山崩壊量を正しく評価できる。

【００１５】また、前記グラフ上で変曲点を見出せなか
った場合は、全ストローク区間を通しての振動加速度と
貫入抵抗のそれぞれの平均的な値に対応する土質を較正
データ上で判別し、今回の探査で得られた貫入抵抗およ
び土質の各情報を掘進方向後方地点での前回探査時に得
られた貫入抵抗および土質の各情報とそれぞれ比較する
ことにより、掘進方向で地層の変化があった場合、その
地層変化を把握した上で地山崩壊量を正しく評価でき
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図７により説
明する。

【００１７】図１は本発明の一実施態様を示す図で、シ
ールドの形式は任意であるが、一例として土圧式シール
ドに適用した場合を示す。図中、１はシールド本体、２
はシールド本体を切羽側と機内側とに区画する隔壁、３
はシールド本体の前部に回転自在に支持され、地山を掘
削するカッタヘッド、４はギャ５とセンタシャフト６を
介してカッタヘッド３に回転力を伝達するカッタ駆動装
置、７は掘削土砂を取り込み撹拌し、切羽を保持するた
めの撹拌室、８は撹拌室から土砂を搬出するスクリュコ
クベア、９はシールド本体を推進するシールドジャッキ
である。

【００１８】１０は地山の崩壊探査のためシールド本体
１の外周面から地中に貫入される探査用ロッド、１１は
探査用ロッド１０に内蔵された振動センサ、１２は同じ
く荷重センサ、１３は探査用ロッド１０を貫入させる油
圧ジャッキなどの貫入装置、１４は探査用ロッド１０の
貫入反力をとるためシールド本体に取り付けられた反力
受け、１５は探査用ロッド１０とシールド本体との間に
設置された土砂シールであり、振動センサ１１と荷重セ
ンサ１２の出力信号は信号線１６により処理装置１７に
伝送される。

【００１９】図２は地山崩壊探査装置のシステム構成を
示す詳細図である。以下、振動センサとして加速度セン
サを用いた例について説明するが、ＡＥセンサなどの他
の振動センサに代えてもよい。

【００２０】図２に示すように探査用ロッド１０は、パ
イプ状をした本体部分１０ａと、本体部分１０ａに対し
て微小変位可能なように装着された先端コーン部１０ｂ
とで構成され、本体部分１０ａに貫入装置１３が連結さ
れている。加速度センサ１１は先端コーン部１０ｂの内
面に取り付けられ、ロッド貫入時に土粒子の摩擦、破砕
によって先端コーン部１０ｂに発生した振動を検出す
る。この加速度センサ１１の出力信号は増幅器１８で増
幅し、さらに実効値変換器１９で振動加速度の実効値に
対応する信号として処理装置１７に入力される。円筒状
をした荷重センサ（ロードセル）１２は、その前端を先
端コーン部１０ｂに、後端をロッド本体部分１０ａに内
奥部にそれぞれ固着されていて、ロッド貫入時に先端コ
ーン部１０ｂが受ける静的貫入抵抗を検出し、その出力
信号は増幅器２０で増幅して処理装置１７に入力され
る。２１は探査用ロッド１０の貫入ストロークを検出す
るストロークセンサで、その出力信号は増幅器２２で増
幅して処理装置１７に入力される。ストロークセンサ２
１は、探査用ロッド１０に機械的に連動するポテンショ
メータ式のストロークセンサでもよいし、図８に示すよ
うな流量計式のストロークセンサでもよい。処理装置１
７は以上３種類の入力信号をサンプリングし、これらの
収集した実測データを横軸にストロークをとり、縦軸に
振動加速度の実効値と貫入抵抗をとって表示したグラフ
として記録計（Ｘ−Ｙレコーダ）２３より出力させる。

【００２１】次に、上記装置を用いて行う地山崩壊探査
方法について具体的に説明する。

【００２２】通常時の地山崩壊探査の手順は図３に示す
通りである。まず、処理装置１７を初期設定した後、探
査用ロッド１０を地中に貫入させ、振動センサ１１、荷
重センサ１２、ストロークセンサ２１をそれぞれの出力
信号を処理装置１７に入力して、ストロークを横軸と
し、振動加速度の実効値と貫入抵抗を縦軸とするグラフ
を出力させる。いま、図５に示すようなグラフが出力さ
れたとすると、このグラフ上で振動加速度および貫入抵
抗のレベルが変化する変曲点を見出し、変曲点を境にし
てストロークを前後の区間Ａ，Ｂに区切る。そして、こ
れらの各区間ごとに較正データを用いて土質を判別す
る。較正データは、〔作用〕の項で述べたように、較正
実験により事前に把握した土の粒径別の振動加速度と貫
入抵抗との関係を両対数グラフで表したもので、図６に
示すように、較正グラフ上に区間Ａにおける振動加速度
ＶＡ、貫入抵抗ＲＡの交点Ａ′と、区間Ｂにおける振動
加速度ＶＢ、貫入抵抗ＲＢの交点Ｂ′をそれぞれとり、
これら２点Ａ′，Ｂ′が同一粒径の直線上にあるなら
ば、両区間Ａ，Ｂの土質は同一と判定される。この場合
は、両区間Ａ，Ｂの土質が同一であり、かつ貫入抵抗が
ＲＡ＜ＲＢの関係にあることから、さきに求めた変曲点
が図１に示した地山部３９と崩壊部４０との境界と判断
することができ、変曲点までの貫入ストロークから崩壊
量Ｓを推定できる。

【００２３】ここで、貫入方向で地層が変化している場
合を考える。一般に乱されていない地山では、標準貫入
試験によれば、土の粒径が大きいほどＮ値が大きくなる
傾向がある。例えば、地層が砂層から粘性土層に急激に
変化した場合、粘性土層に探査用ロッドが貫入したとき
の貫入抵抗（従来技術でのロッド先端土圧）は砂層に比
べて小さくなるので、それ以外の情報を持たないと、崩
壊量が大きくなったとの誤った判断がなされる可能性が
ある。しかし、貫入抵抗と併せて振動加速度の実効値レ
ベルを見ると、変曲点の前後のストローク区間での振動
加速度と貫入抵抗の各実測値の交点（図６のＡ′，
Ｂ′）が較正データ上で同一粒径の直線上にないことが
わかり、地層の変化があったこと、さらには砂層から粘
性土層に変化して貫入抵抗のレベルが低くなったことを
把握した上で崩壊の有無を判断できるので、上記のよう
な誤った判断を下すことがなくなる。

【００２４】次に、掘進方向で地層が変化している場合
の地山崩壊探査方法について説明する。

【００２５】記録計２３の出力グラフ上で変曲点を見出
せなかった場合は、全ストローク区間（図５のＡ＋Ｂ）
を通しての振動加速度と貫入抵抗のそれぞれの平均的な
値に対応する土質を前記較正グラフ上で判別し、掘進方
向後方地点での前回探査時に得られた土質情報と比較し
て地層の変化があったかどうかを判断する。例えば、そ
れまで粘性土層を掘進していて、崩壊していないという
情報を得ていたのが、今回の探査では、土質が砂質土に
変化したと仮定する。ここで、図７の（ａ）は粘性土層
での記録計出力グラフ（Ｖａはこのときの振動加速度実
効値の平均レベル、Ｒａは貫入抵抗の平均レベル）、
（ｂ）は砂層での記録計出力グラフ（Ｖｂはこのときの
振動加速度実効値の平均レベル、Ｒｂは貫入抵抗の平均
レベル）で、Ｖａ＜Ｖｂ，Ｒａ≒Ｒｂであったとする。
このような土質の変化は、シールド機内で搬出された掘
削土砂を見てもすぐには認識できないため、貫入抵抗
（従来技術でのロッド先端土圧）のみで崩壊量を判断し
ていると、図７の（ａ），（ｂ）のように偶々同レベル
の貫入抵抗が示された場合、これまでと同じく崩壊して
いないとの誤った判断がなされる可能性がある。

【００２６】しかし、貫入抵抗と併せて振動加速度の実
効値レベルを見ると、較正データ上で、土質が粘性土か
ら砂質土に変化したことがわかる。一般に乱されていな
い地山では砂質土の方が高い貫入抵抗を示す傾向がある
ので、粘性土と同レベルの貫入抵抗を示したとすると、
余り締まった砂質土ではないことを把握でき、掘進管理
者の注意を喚起することができる。このように、振動加
速度と貫入抵抗から土質を判別することにより、掘進方
向で地層が変化して崩壊しているにも拘らず、崩壊して
いないという誤った判断を下すことがなくなる。

【００２７】以上の説明では、粘性土層と砂層との地層
変化について述べたが、これは地層変化の代表的な例を
挙げたものであり、それ以外の地層変化にも対応できる
ことはいうまでもない。

【００２８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、探査用ロ
ッドを地中に貫入させたときの振動センサ、荷重センサ
およびストロークセンサのそれぞれの出力信号を処理装
置に入力して、ストロークを横軸とし、振動センサ出力
値および貫入抵抗を縦軸とするグラフを出力させること
で、貫入抵抗だけでなく、振動センサ出力値の変化から
も地山部と崩壊部との境界を示す変曲点を見出せるの
で、地盤が軟弱で、貫入抵抗の変化が顕著に現われない
場合でも、変曲点を見落すことなく、地山崩壊量の推定
を容易に精度良く行うことができる。また、事前に求め
た土の粒径別の振動センサ出力値と貫入抵抗との関係か
ら変曲点の前後のストローク区間での振動センサ出力値
と貫入抵抗とに対応する各区間ごとの土質を判別するこ
とにより、貫入方向で地層が変化している場合、その地
層変化を把握した上で地山崩壊量を正しく評価でき、砂
層から粘性土層に変化して貫入抵抗が小さくなったこと
で崩壊量が大きくなったとの誤った判断を下すことがな
くなる。

【００２９】さらに、請求項２記載の発明によれば、前
記グラフ上で変曲点を見出せなかった場合、事前に求め
た土の粒径別の振動センサ出力値と貫入抵抗との関係か
ら全ストローク区間を通しての振動センサ出力値と貫入
抵抗のそれぞれの平均的な値に対応する土質を判別し、
今回の探差で得られた貫入抵抗と土質の各情報を掘進方
向後方地点での前回探査時に得られた貫入抵抗と土質の
各情報と比較することにより、掘進方向で地層が変化し
ている場合も、その地層変化を把握した上で地山崩壊量
を正しく評価でき、粘性土層からゆるい砂層に変化して
崩壊しているにも拘らず、崩壊していないという誤った
判断を下すことがなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様を示すシールド縦断面図で
ある。

【図２】図１中の地山崩壊探査装置のシステム構成図で
ある。

【図３】本発明の地山崩壊探査方法の手順を示すフロー
チャートである。

【図４】土の粒径別に求めた振動加速度実効値レベルと
貫入抵抗との関係を示すグラフ（較正データ）である。

【図５】ロッド貫入時の実測データの一例を横軸にスト
ロークをとり、縦軸に振動加速度および貫入抵抗をとっ
て示したグラフである。

【図６】較正データ上での土質判別の説明図である。

【図７】掘進方向で地層が変化している場合の地山崩壊
探査方法の説明図で、（ａ）は粘性土層での実測データ
を示すグラフ、（ｂ）は砂層での実測データを示すグラ
フである。

【図８】従来技術による地山崩壊探査方法の説明図であ
る。

【符号の説明】

１…シールド本体、１０…探査用ロッド、１１…振動セ
ンサ（加速度センサ）、１２…荷重センサ、１３…貫入
装置、１７…処理装置、２１…ストロークセンサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 仲野 学 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (72)発明者 佐藤 正雄 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設 株式会社内 (72)発明者 田中 松男 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設 株式会社内 (72)発明者 沼口 栄助 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設 株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動センサと荷重センサとを内蔵した探
   査用ロッドをシールド外周面から地中に貫入させ、ロッ
   ド貫入時に発生した振動を検出する振動センサの出力信
   号、貫入抵抗を検出する荷重センサの出力信号および貫
   入ストロークを検出するストロークセンサの出力信号を
   処理装置に入力して、ストロークを横軸とし、振動セン
   サ出力値および貫入抵抗を縦軸とするグラフを出力さ
   せ、このグラフ上で振動センサ出力値および貫入抵抗が
   変化する変曲点を見出し、さらに、あらかじめ土の粒径
   別に求めた振動センサ出力値と貫入抵抗との関係から変
   曲点の前後のストローク区間での振動センサ出力値と貫
   入抵抗とに対応する各区間ごとの土質を判別し、さきに
   求めた変曲点と、その前後のストローク区間での貫入抵
   抗に各区間ごとの土質を加えた複数の情報から地山の崩
   壊量を推定することを特徴とするシールド工事における
   地山崩壊探査方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の地山崩壊探査方法におい
   て、前記グラフ上で変曲点を見出せなかった場合は、あ
   らかじめ土の粒径別に求めた振動センサ出力値と貫入抵
   抗との関係から全ストローク区間を通しての振動センサ
   出力値と貫入抵抗のそれぞれの平均的な値に対応する土
   質を判別し、今回の探査で得られた貫入抵抗および土質
   の各情報を掘進方向後方地点での前回探査時に得られた
   貫入抵抗および土質の各情報とそれぞれ比較することに
   よって地山の崩壊量を推定することを特徴とするシール
   ド工事における地山崩壊探査方法。