JPS6187096A - シ−ルド式トンネル掘削機の切羽崩壊検知方法およびその検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、シールド式トンネル掘削機による掘削工事中
における切羽崩壊の状態を検知するシールド式トンネル
掘削機の切羽崩壊検知方法およびその検知装置の改良に
関する。

〔発明の技術的背景およびその問題点〕従来のシールド
式トンネル掘削機にとしては、泥漿式や土圧式あるいは
泥水加圧式等の密閉型シールド式トンネル掘削機が実用
に供されている。

上記密閉型シールド式トンネル掘削機は、外側がスキン
プレートで覆われ遮蔽されているため、内部からは掘進
時の切羽状態を知ることができなかった。そのため上記
トンネル掘削機は、切羽崩壊を生じてもそのまま掘進し
、・第５図に示す如く空洞１として取、り残してしまい
後日地面の陥没を引き起こす示それがあった。なお第５
図において２は地表面、３は地山、４は切羽後に環状に
形成して土管として機能せしめるセグメントを示す。

そこで、上述したような地面陥没を未然に防止するため
の判断資料として、切羽崩壊の状態を検知する切羽崩壊
検知装置が開発されている。その１つとしては実開昭５
８−１４０２９６号公報に記載されている超音波方式を
用いた検知装置があり、また他の１つとしては、前部に
位置するカッターフェースの近傍に測針を設け、掘削停
止時に上記測針を切羽面に接触させて切羽崩壊の状態を
測定するいわゆる触針式検知方式がある。

しかるに、上記超音波方式のものは超音波が泥水によっ
て減衰を受けるので、このままでは測定精度の低下は否
めず、実用化が難しい。そこで、これに代るものとして
清水置換型超音波方式が考えられている。この方式は、
水中ポンプにより清水をジェット流で噴射させて泥水を
清水に置換して超音波路を成形し、超音波接触子から発
生される超音波の反射エコーと、この超音波接触子から
前記清水を通って地山で反射されて返ってくる反射エコ
ーとの時間差から切羽崩壊を検知するものである。しか
し、この方式には、泥水の重量濃度によって制限を受け
ること、地山崩壊を引き起こすことなく清水雰囲気を維
持することが困難であること、等の実用上開端がある。

一方、触針式のものは、掘削を停止したときだけ測定が
可能であり、連続測定が行なえず、切羽崩壊の検知装置
としては不十分である。

そこで本発明者等は特願昭５９−１６０６２０号に記載
されている如く、スキンプレート面に取付けられた対を
なす通電電極により泥水と地山からなる電気的二重層に
通電を行なって電位分布を形成させ、この電位分布と通
電電流とから上記泥水側からみた見かけ上の比抵抗を求
め、この見かけ上の比抵抗の変化から切羽崩壊による空
洞の存在を泥水厚みの変化として検知するようにした検
知方法およびその検知装置を提案している。

第６図は上記検知装置を示す図で、図中５は泥水、６は
カッターフェース、７はスキンプレート、８は絶縁板、
９ａ、９ｂは一対の通電電極、１゜ａ、１０ｂは一対の
電圧測定電極、１１は交流定電流源、１２は電圧測定器
、１３は表示部である。

なお電極間隔Ａ＝２００ｍである。

しかるに上記検知装置においては、泥水厚み２の検知特
性が第７図（図中Ｐは地盤が砂地である場合のデータ、
Ｑは地盤が粘土地である場合のデータ）に示す如く非線
形特性である上、泥水厚み２の測定スパンは、電極間隔
Ａ程度である。したがって測定スパンを伸ばすためには
、電極間隔Ａを広げなければならないが、そうすると、
各電極９ａ、９ｂおよび１０ａ、１０’ｂを埋め込ムタ
メのスキンプレート７の開口部が大きくなり、シールド
掘削機の強度が低下する。その結果、補強対策が必要と
なるため、コスト高となる上、安全対がなく、かつ連続
的に計測し得る上、測定精度の向上および測定スパンの
増大をもはかり得るシールド式トンネル掘削機の切羽崩
壊検知方法を提供することにある。

また別の目的は、掘削機表面に特別な装置あるいは突起
物を設けることなく簡単な構成で切羽崩壊の状態を検知
できる上、測定精度の向上および測定スパンの増大をは
かり得るシールド式トンネル掘削機の切羽崩壊検知装置
を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の方法は、スキンプレート面に取付けられた対を
なす通電電極により泥水と地山からなる電気的二重層に
通電を行なって電位分布を形成させ、この電位分布の変
化を電圧の変化としてとらえ、この電圧の変化を帰還増
幅することにより出力特性の線形化を行ない、この線形
化された出力特性から切羽崩壊による空洞の存在を泥水
厚みの変化として検知するようにしたことを特徴として
いる。

また本発明の装置は、スキンプレート面に対をなす通電
電極を取付け、この対をなす電極に帰還増幅回路により
交流電流を供給して泥水と地山からなる電気的二重層に
通電を行なわせ、この通電により電圧端子間に生じる電
圧を計測器で計測し、この計測された電圧を帰還増幅回
路にて帰還増幅して線形化を行ない、この線形化された
出力特性から検知器により切羽崩壊による空洞の存在を
泥水厚みの変化として検知するように構成したことを特
徴としている。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について説明する。第１図は本
発明方法の原理を示す図で、トンネル掘削機は第６図に
示したものと同様に、その機械前面部にカッターフ１−
ス（不図示）が設けられており、このカッターフェース
の背部側には上記カッターフェースとほぼ同径で環状に
形成され機械の外体として曙能するスキンプレート（不
図示）が設けられている。このスキンプレートはその一
部が切欠されており、この切欠部には絶縁板８を介して
対をなす通電電極９ａ、９ｂと、電圧端子としての対な
る電圧測定電極１０ａ、１０ｂとが取付けられている。

そして、上記通電電極９ａ。

９ｂにより泥水５と地山３からなる電気的二重層に通電
を行ない、泥水５と地山３との比抵抗の違いによって上
記電気的二重層に生じる電位分布を前記電圧測定電極ｉ
Ｑａ、１０ｂ間の電圧としてとらえ、この電圧を帰還増
幅することにより出力特性の線形化を行ない、この線形
化された出力特性から切羽崩壊による空洞の存在を泥水
厚みの変化としで検知するものである。

第１図中、２１は基準電圧発生器、２２は帰還増幅器、
２３は電力増幅器、２４は差動アンプ、２５は加算器、
２６は正帰還率調整器である。また、Ｒ１，Ｒ２は抵抗
である。

基準電圧発生器２１からの電圧Ｅｉは、帰還増幅器２２
．Ｎ力増幅器２３を介して通電電極９ａ。

９ｂにより泥水５と地山３からなる電気的二重層に印加
される。一方、上記帰還増幅器２２には、その出力電圧
ＥＯが正帰還率調整器２６によってに倍されたものと、
電圧測定電極間電圧■（λ）ＥＯが差動アンプ２４によ
って０倍されたものとが、加算器２５にて加算された後
、正帰還される。

すなわち正帰還電圧Ｅｆは Ｅｆ＝ＫＥｏ＋ＧＶ　（Ｑ）Ｅｏ　　　　・・・（１）
となる。

また上記帰還増幅器２２の入力インピーダンスは抵抗Ｒ
１，Ｒ２に比べて十分大きいので（Ｅ　１−Ｅｆ）／Ｒ
１＝　（Ｅｆ−Ｅｏ）／Ｒ２・・・（２） となる。

かくして上記（１）、（２）式により ＮＥｉ ＥＯ＝ １−　（１＋Ｎ＞（Ｋ＋ＧＶ　（ｎ））・・・（３） となる。ただしく３）式においてＮ（負帰還率）＝Ｒ１
／Ｒ２である。

すなわち、上記（３）式から明らかなように、回路定数
Ｎ、Ｇ、Ｋを適当に調整することにより、出力特性が設
定できる。

第２図は各電極間隔Ａを１００ｍとしたときの出力特性
を示す図である。この場合、泥水厚みＱが無限大のとき
帰還増幅器２２の出力電圧ＥＯが５ｖとなるように調整
した。またゲインＧは１゜０、入力電圧Ｅｉは２０Ｈｚ
、１．０Ｖとした。

その結果、負帰還率Ｎ＝０．２とすることにより、測定
スパンＯ〜２００ｍにて良好な出力の直線性が得られた
。また、負帰還率Ｎ＝０．０７とすることにより、測定
スパンＯ〜４００馴にて良好な出力の直線性が得られた
。かくして、本実施例によれば、負帰還率Ｎ＝０．２と
することにより電極間隔Ａの２倍の測定スパンが得られ
、負帰還率Ｎ＝０．０７とすることにより電極間隔Ａの
４倍もの測定スパンが得られるので、電極間隔Ａに対す
る測定スパンの増大が実現できる。

第３図は本発明装置の一実施例の構成を示す図である。

なお第１図と同一部分には同一符号を付し、詳しい説明
は省略する。本実施例では、電極間隔Ａを１００ｍ、負
帰還率Ｎを０．２．測定スパンを０〜２００Ｍとする。

第３図において３１は帰還増幅回路であり、第１図に示
した帰還増幅回路と同様である。この帰還増幅回路３１
からの出力ＥＯは三点折線近似方式のリニアライザー３
２に与えられる。上記リニアライザー３２は、上記帰還
増幅回路３１からの出力自体が０〜７０Ｍ。

７０−１４８ｍ、１４８〜２００ｍの二区間折線で精度
よく近似できるようになっているため、その精度が極め
て高く、第４図に示すように、リニアライザー３２の出
力ＶＬは±１蔵の精度を実現している。上記リニアライ
ザー３２の出力ＶＬは泥水厚み表示装置３３に与えられ
、この泥水厚み表示装＠３３にて上記リニアライザー３
２からの出力特性を換算することにより泥水厚み２が求
められ表示される。

かくして、従来は電圧測定電極１０ａ、１０ｂ間の電圧
をそのまま表示して換算テーブルにより泥水厚み２の傾
向を推測し、切羽崩壊の状態を検知していたが、本実施
例によれば、泥水厚み２の正確な値が自動的に求められ
るので、切羽崩壊の状態を精密に検知できる。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではない。た
とえば前記実施例では負帰還率Ｎ＝０゜２とした場合を
示したが、負帰還率Ｎ＝０．０７とすることにより、測
定スパンが０〜４００ｍまで拡張できる。その結果、本
装置をそのまま泥水厚み計として土木工事やポーリング
作業等に適用することができる。このように、電極間隔
Ａまたは回路定数（主にＮ、に、Ｇ）を適当に設定する
ことにより、測定スパン、測定精度、設置制限等の条件
を満たした泥水厚み計として対処することが可能となる
。

またゲインＧは１２０程度まで実現可能であるため、こ
のゲインＧを上げることにより、さらに電極間隔Ａを狭
めることが可能となる。また周波数も数Ｋ　Ｈｚオーダ
まで任意ではあるが、周波数が高くなると電極電圧■（
２〉が少なくなるので、１００８Ｚ以下が適当と思われ
る。また、電力増幅器２３は通電電流が１０ｍＡのオー
ダになる増幅率が適当である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明方法は、スキンプレート面に
取付けられた対をなす通電電極により泥水と地山からな
る電気的二重層に通電を行なって電位分布を形成させ、
この電位分布の変化を電圧の変化としてとらえ、この電
圧の変化を帰還増幅することにより出力特性の線形化を
行ない、この線形化された出力特性の変化から切羽崩壊
による空洞の存在を泥水厚みの変化として検知するよう
にしたものである。

したがって本発明方法によれば、地山崩壊を引き起こす
危険性がなく、かつ連続的に計測し得る上、測定精度の
向上および測定スパンの増大をもはかり得るシールド式
トンネル掘削曙の切羽崩壊検知方法を提供できる。

また本発明装置は、スキンプレート面に対をなす通電電
極を取付け、この対をなす電極に帰還増幅回路により交
流電流を供給して泥水と地山からなる電気的二重層に通
電を行なわせ、この通電により電圧端子間に生じる電圧
を計測器で計測し、この計測電圧を帰還増幅回路にて帰
還増幅して線形化を行ない、この線形化された出力特性
から検知器により切羽崩壊による空洞の存在を泥水厚み
の変化として検知するように構成したものである。

したがって本発明装置によれば、掘削礪表面に特別な装
置あるいは突起物を設けることなく簡単な構成で切羽崩
壊の状態を検知できる上、測定精度の向上および測定ス
パンの増大をはかり得るシールド式トンネル掘削憬の切
羽崩壊検知装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明方法の一実施例を説明する
ための図で、第１図は原理を説明するための図、第２図
は泥水厚みと帰還増幅出力の特性を示す図である。第３
図および第４図は本発明装置の一実施例を説明するため
の図で、第３図は構成を示す図、第４図はリニアライザ
ーの特性を示す図である。第５図〜第７図は従来例を説
明するための図である。 ３・・・地山、５・・・泥水、６カツターフエース、７
・・・スキンプレート、８・・・絶縁板、９ａ、９ｂ・
・・通第４　図 Ｔｏｏ　　　　２００ 淫４　ｔ（ｍｍ　） 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）スキンプレート面に取付けられた対をなす通電電
   極により泥水と地山からなる電気的二重層に通電を行な
   って電位分布を形成させ、この電位分布の変化を電圧の
   変化としてとらえ、この電圧の変化を帰還増幅すること
   により出力特性の線形化を行ない、この線形化された出
   力特性から切羽崩壊による空洞の存在を泥水厚みの変化
   として検知するようにしたことを特徴とするシールド式
   トンネル掘削機の切羽崩壊検知方法。
2. （２）シールド式トンネル掘削機において、スキンプレ
   ート面に取付けられた対をなす通電電極と、この対をな
   す電極に交流電流を供給し泥水と地山からなる電気的二
   重層に通電を行なわせる通電手段と、この手段による通
   電により電圧端子間に生じる電圧を計測する計測器と、
   この計測器により計測された電圧を帰還増幅し線形化を
   行なう帰還増幅回路と、この帰還増幅回路により線形化
   された出力特性から切羽崩壊による空洞の存在を泥水厚
   みの変化として検知する検知器とを具備したことを特徴
   とするシールド式トンネル掘削機の切羽崩壊検知装置。