JPS62178689A - シ−ルド式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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばシールド掘削機を用いて掘削工事を行
ったときに生じる切羽崩壊を検知するための方法及びそ
の装置に係わり、特に４電極法【こより切羽崩壊の形状
を検知するシールド式掘削券の切羽崩壊検知方法及びそ
の検知装置の改良に関する。

（従来の技術） 従来、泥漿式や土圧式、泥水加圧式などの密閉型シール
ド式トンネル掘削機があるが、これらのｉ械は外側をス
キンプレートで覆って遮蔽しているため、内部から掘進
時の切羽の状態を知ることができない。即ち、このトン
ネル掘削機は、切羽崩壊を生じてもそのまま庇進し、第
９図に示すように空洞１を残していくため、後日地面の
陥没を引き起こす可能性があった。図中２は地表面、３
は地山、４は切羽後に形成された環状部分を土管として
機能せしめるセグメン１−である。

そこで、以上のような地面陥没を未然に防止するための
判１ｇｉ資料として、切羽崩壊の状態を知る切羽崩壊検
知装置が開発されている。その１つとしては超音波方式
を用いた検知装置（実開昭５８−１．４０２９６号公報
及びその願書に添附された明細四１図面）があり、他の
１つ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、掘削の停止時に測針を切羽面に接触ぎせて切羽崩
壊の状態を測定する触針式検知装置がある。

しかし、超音波方式のものは、超音波が泥水により減衰
を受けるのでこのままでは測定精度の低下は否めず、実
用化が難かしい。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ン１へ流で噴射させて泥水を清水
に置換して超音波路を形成し、超音波探触子から発生さ
れる超音波の発射エコーと、この超音波探触子から前記
漬水を通って地山で反射されて返ってくる反射エコーと
の時間から切羽崩壊を知るものである。しかし、この方
式は泥水の重量ｓ度にｉ１１限されることや地山崩壊を
引き起すことなく清水雰囲気を維持することが難しく、
実用上問題がある。

一方、触針式のものは、掘削を停止した時にだけ測定が
可能であり、連続測定ができｒ、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
をなす通電電慟により泥水と地山からなる電気的二重層
に通電を行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掛は上の比抵抗を求
め、この見掛は上の比抵抗の変化から切羽崩壊による空
洞の存在を泥水厚の変化として検知する検知方法および
その検知装置が提案されている。第１０図および第１１
図は４電極法を用いた上記検知装置の構成図および模式
図である。これらの図において、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、１０ａ、１０ｂは一対の電圧測
定電極、１１は定電流源、１２は電圧測定部、１３は出
力表示部であって、一対の通電電極９ａ、９ｂの内側に
一対の電圧測定電極１０ａ、１０ｂが配置され、これら
電極相互の間隔は等距１１１ａを有して設けられている
。また、ｄは泥水厚、ρ１は泥水比抵抗、ρ２は地山（
粘土）比抵抗を示す。即ち、この４電極法検知装置は、
通電電極９ａ、９ｂに定電流を与えて泥水と他山からな
る電気的二重層に通電を（テい、この時一対の電圧測定
部１１０ａ、１０ｂを通して電圧測定部１２により測定
された第１２図に示すような測定電圧から泥水厚を検知
するものである。

〔発明が解決しようとする問題点） しかし、以上のように電極系を使用して崩壊形状を検知
するものは、例えば第１３図のような崩壊形状の場合に
第１４図の如く崩壊幅すの変化により測定電圧が変化す
る問題がある。従って、第１０図に示すような検知装置
では崩壊の検知が可能であるが、崩壊形状を精度良く求
めることができなかった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、地山崩壊を
引き起こすことなくオンラインで切羽崩壊の形状を精度
良く検知し得るシールド式掘削はの切羽ＩＯ！＠検知方
法を提供することを目的とする。

別の発明は、掘削機表面に特別な突起物を設けることな
く簡単な構成により切羽崩壊の形状を検知し得るシール
ド式掘削機の切羽崩壊検知装置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］ そこで、本発明方法によれば、スキンプレート面とほぼ
面部を同じくする絶縁部に通電用電極および電圧測定用
電極からなる４電極を組として電（を間隔を異ならせて
２組を設け、これら各相を選択して泥水と地山からなる
電気的二重層に通電を行い、その電位分布の変化から切
羽の崩壊形状を検知するようにしたものである。

また、別の本発明装置によれば、前記掘削量のスキンプ
レートとほぼ面部を同じくする絶縁部に通電用電極およ
び電圧測定用電極からなる４電極を相として電極間隔を
異ならせて２組設置してなる電力配置手段と、これら各
組ごとに電極を選択する電極チャンネル切換手段と、こ
の電極チャンネル切換手段によって選択された通電電型
に所定、の信号を与えることにより泥水と地山とからな
る電気的二重層に通電を行う電源部と、この電源部によ
る通電後に前記雷圧工１定用電極からｌｑられる電位分
布の変化信号を用いて切羽崩壊形状を求める演算処理手
段とを備えたものである。

〔作用〕

従って、以上のような本発明方法の手段とすることによ
り、電極間隔の異なる各組の電極を選択して通電を行い
、かつ電圧測定電極から得られた信号を用いて切羽の崩
壊形状を得るようにすれば、崩ＩＦ！幅と崩壊深さ方向
にそれぞれ感度を持った測定系として所望の信号を取得
でき、地山崩壊をなくしてオンラインで切羽崩壊形状を
精度良く検知することができる。

また、別の発明装置の手段とすることにより、スキンプ
レート面とほぼ同一面に電極を設けているので掘削別表
面に特別な突起物がなくなり、また電極チャンネル切換
手段により電極間隔の異なる２９１１の電極群を切換え
て所望の信号を得るようにしているので、簡単な構成で
切羽の崩壊形状を検知できるものである。

〔実施例〕

以下、本発明方法の一実施例について第１図ないし第３
図を参照して説明する。即ち、本発明方法は、泥水と地
山の比抵抗の違いに着目して電気的に泥水環を測定する
４電穫法を採用するものであるが、第１図に示すように
狭い電極間隔ａ１で１組の４電ｆｆ１２０ａ、２０ｂ、
２１ａ、２１ｂが配置され、かつこれらの電極の外側に
広い電極間隔ａ２で１組の４電極２２ａ、２２ｂ、２３
ａ。

２３ｂが配置され、それぞれの測定電圧Ｖｌ。

■２から崩壊形状を検知する。２４．２５は定電流源、
２６は泥水、２７は地山、２８はスキンブレート（第３
図）を示す。

しかして、以上のような電極配置構成において狭いＩｌ
ｉ間隔ａ１の電極群２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂよ
りなる４電極法を用いた場合、電極２０ａ、２０ｂから
見た見掛は上の比抵抗をρ。

とすると、 Ｖ＝（Ｉ　　ρｅ　　）　／　（２π　ａ　　１　−）
　　　　　　−−（１）の式から を求めることができる。但し、上式においてＩは通電電
流、■は測定電圧、ρｌは泥水の比抵抗、ρ２は他山の
比抵抗、ｄは泥水環、ａｌは電極間隔である。

そして、以上のような見掛は上の比抵抗ρ　と泥水環お
よび電極間隔の比ｄ　／　ａ　１との関係を示す第２図
から明らかなように、電極間隔ａ１が泥水１ｄに比して
小さいとき、比抵抗ρ６　は殆／υど変化しない。従っ
て、狭い電橋間隔ａ１を有する測定系では、第１３図の
ような形状における崩壊幅Ａ−Ｂを検知できるものの、
深さに対しては感度を示さない。そこで、本発明方法は
、崩壊の幅のみ感度を持つ測定系と、深さ方向に感度を
持つ測定系とを備え、例えば第３図に示すような崩壊形
状に対し、狭い電極間隔ａｌを持つ電極群２０ａ、２０
ｂ、２１ａ、２１ｂよりなる測定系で崩壊幅Ａ−Ｂを求
め、広い電極間隔ａ２を持つ電極群２２ａ、２２ｂ、２
３ａ、２３ｂよりなる測定系によって測定された測定電
圧を、前述した第１４図に示す崩壊幅とｄ−Ｖ曲線の関
係から溝深さｄを換算し、崩壊形状を求めるものである
。

従って、以上のような実施例の崩壊検知方法によれば、
狭い電極間隔で４つの電極を配置して崩壊幅に感度を持
つようにし、また広い電極間隔で４つの電］々を配置し
て崩壊深さ方向に感度を持つようにしたので、これら両
相の電極から１９られた出力を用いれば崩壊形状を精度
良く求めることができる。しかも、これら両組の電戊群
を交互に切換えて掘進すれば、連続的かつオンラインに
て崩襲形状を求めることかできる。

次に、本発明′ａ置の一実施例について図面を参照して
説明する。本装置は、第４図に示すように前面部にカッ
タフェース３１が設けられ、このカッタフェース３１の
背部側にはカッタフェース３１と同径で環状に形成され
た装置外体として機能するスキンプレート２８が設けら
れている。このスキンプレート２８はその一側部が切り
欠かれ、この部分にスキンプレート２８とほぼ同一面を
有する絶縁板３２がｌ■合されている。そして、この絶
縁板３２には第１図に示すように狭い電極間隔ａｌを持
つ４つの崩壊幅検知用電極２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２
１１）が埋め込まれ、これらの電極の外側に広い電極間
隔ａ２を持つ４つの崩壊深さ検知用型［ｘ２２ａ、２２
ｂ、２３ａ、２３ｂが埋め込まれている。これらの電極
のうら、電極２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂは通電電
極に相当し、池の電ＪＭ２１ａ、２１ｂ、２３ａ、２３
ｂは電圧訓定爪極に相当する。第４図において３３は通
電機（（に相当する電極２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２
ｂに定電流を供給する定電流源、３４は崩壊幅検知用型
ｔｆｆｉ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂと崩壊深さ検
知用電極２２ａ、２２ｂ、２３ａ。

２３ｂとを選択的に切換える電極チャンネル切換スイッ
チであって、例えば第５図のような模式的な構成で表わ
すことができ、その切換え手段は人為的またはタイマ、
クロック等を用いて自動的に切換えるようにしてもよい
。３５は電圧測定電極で測定された信号に比例する測定
電圧に変換して２ヂヤンネルに分けて出力する電圧測定
部、３６は電圧測定部３５からの測定電圧を用いて所定
の演算処理を行う演算処理部、３７は演算結果を出力す
る出力表示部である。

次に、以上のように構成された装置の動作を説明する。

今、シールド掘進中においてＩｆｆ幅ｂ＝り００１１１
ｍ、崩壊深ざｄ−，２００Ｉを有する三角溝の崩壊形状
を検知するものとする。なお、測定条件としては、泥水
２６の比抵抗ρ１−１０Ωｍ、地山２７の比抵抗ρ２　
＝２００Ωｍ、崩壊幅検知用電極間隔ａｌ＝２０ａ−２
１ａ＝２１８−２１ｂ＝２　ｌ　ｂ−２０ｂ＝２０ｍｍ
、崩壊深さ検知用電極間隔ａ２＝２２ａ−２３ａ＝２３
ａ−２３ｂ＝２３ｂ−２２ｂ−１００ｍｍとし、定電流
源３３から１０ｍＡ、２０Ｈｚの電流が通電電極側に供
給されるものとする。また、崩壊のない時の正常の泥水
厚ｄ、は２０ＩｎＩＩｌとする。

しかして、以上のような測定条件下において定電流源３
３から電極チャンネル切換スイッチ３４を介して電極間
隔の異なるそれぞれの通電電極（２０ａ、２’Ｏｂ）、
（２２ａ、２２ｂ）より定電流を泥水と地山からなる電
気的二重層に通電する。この通電方法は１つの定電流源
３３から例えばクロックによって自動的に切換わる切換
スイッチ３４により通ｆｆｉ’１ｔＪｌｉ２０ａ、２０
ｂ　（ｃｈｌ　）と通電機１Ｍ２２ａ、２２ｂ　（ｃｈ
２）、！：に交互に通電する。その理由は地中に形成さ
れる各々の電位分布がお互いに妨害しないようにするた
めである。以上のようにして通電すると、この通電電流
ニに、すＴＩＦｉ測定電極（２１ａ、２１ｂ）、（２３
ａ、２３ｂ）間に電位が生ずるので、これを電圧測定部
３５で測定し、２１ａ、２１ｂ間電圧をｃｈｌとし、２
３８．２３ｂ間電圧をｃｈ２として出力する。シールド
掘進中は測定電極系もシールド機械と同時に移動し、そ
の移動距離に対し第６図に示すような測定電圧が得られ
る。

このようにして測定された測定電圧は後続の演算処理部
３６に送られる。この演算処理部３６では、Ｃｈｌの出
力すなわち電極間隔ａ１を持った測定系により得られた
出力の変化する点から崩壊の肩を検知することにより、
崩壊の幅すを算出しｂ＝３００ｍｍの値を得るものであ
る。

また、ｃｈ２の出力すなわち電極間隔ａ２を持った測定
系から１ｑられた出力を用いて崩壊深さを検知するもの
であるが、第７図に示す如く崩壊幅すにより崩壊深さに
対する測定電圧値が異なり、かつ変化する割合いも異な
る。そこで、演Ｄｉ　ｆｆｉ理部３６は、予め崩壊幅を
媒介変数とした第７図に示すｄ−Ｖ曲線を用意し、ｃｈ
ｌから得られた情報ｂ　＝　３００　ｍｍに基づいてｄ
−Ｖ［ｌｔｌ線を選択する。

さらに、この演算型理部３６は上記ステップにて選択し
たｄ−Ｖ曲線に基づいてｃｈ２の出力電圧値を泥水深さ
に換算する。ここで、泥水深さに換算された値は出力表
示部３７において例えば第８図に示すような値として表
示される。従って、シールド掘進中はかかる表示値をモ
ニタリングしながら切羽崩壊の早期発見および崩壊形状
を検知するものである。

従って、以上のような実施例の構成によれば、スキンプ
レーｔ〜２８と面部を同じくする絶縁板３２に電極間隔
の異なる２組の４電極を埋め込むとともに、これら各組
の電極を交互に切換えて測定電圧を得、これらの測定電
圧を用いて崩壊幅および崩壊深さを１ｑて崩壊形状を求
めるようにしたので、非常に簡単な構成で崩壊形状を精
度良く求めることができる。

なお、上記実施例では電極間隔を８１＝２０ｍｍ、ａ２
＝１００ｍｍとしたが、これに限定されずに電（÷間隔
を任意に変化させて測定スパンを変えて」り定すること
が可能である。また、通電電流値（よ１０ｍＡ、２０Ｈ
ｚとしたが、これ以上の電流値に上げて分解能を向上さ
せることも可能であり、周波数についても同様である。

その池、本発明はその要目を逸説しない範囲で種々変形
して実／Ｊできる。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明方法によれば、電極間隔の異
なる２組の４電極群を交互に切換えて測定７Ｒ圧を得る
ようにしたので、崩壊幅および崩壊深さに感度を持つ測
定電圧を用いて崩壊形状を求めることが可能であり、し
かもオンラインにて連続的に精度良く検知でき、早期に
空洞補嬬を行うことができ、陥没事故を未然に防ぐこと
ができる。

また、本発明装置によれば、スキンプレート面の絶縁板
に４電極を２相埋め込むとともに、これら各組の電極を
スイッチにて交互に切換えて測定電圧を得るようにした
ので、突起物を設けることなく簡単なＩ育成で崩壊形状
を精度良く検知することができるシールド式掘削機の崩
壊検知装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明方法の一実施例を説明する
ために示したもので、第１図は電極配置構成および測定
状態を示す模式図、第２図は泥水厚と電極間隔との比に
対する見掛は上の比抵抗の変化を説明する図、第３図は
崩壊形状の模式図、第４図ないし第８図は本発明装置の
一実施例を説明するために示したもので、第４図は本発
明＠置の構成図、第５図は第４図の電）０チヤンネル切
換スイツチの切換え構成図、第６図は移動距離に対する
よ１ｊ定電圧の特性図、第７図は崩壊深さと測定電圧の
関係図、第８図は崩壊形状の表示状態図、第９図ないし
第１４図は従来の検知装置を説明するために示したもの
で、第９図は掘削機による掘進により形成された地中断
面図、第１０図は４電（船法を用いた従来装置の構成図
、第１１図は４電力法を用いて崩壊形状を測定する状態
を説明する模式図、第１２図は泥水厚と測定電圧との関
係図、第１３図は三角溝に形成された崩壊形状を示す図
、第１４図は三角溝と測定電圧との関係図である。 ２０ａ、２０ｂ、２１　ａ、２１　ｂ−・・崩壊幅検知
用電極、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ・・・崩壊深
さ検知用電極、２４．２５．３３・・・定電流源、２６
・・・泥水、２７・・・地山、２８・・・スキンプレー
ト、３１・・・カッタフェース、３２・・・絶縁板、３
４・・・電極チャンネル切換スイッチ、３５・・・電圧
測定部、３６・・・演梓処理部、３７・・・出力表示部
。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第３図 ０．１１１０ ）尼木［ｌ／を極間隔 第４図 第５図 移動距離 第６図 崩壊深さ　ｄ（ｍｍ） 第７図 移動距離　（ｍｍ） 第８図 、−４ 第１０図 第１２図 崩壊深さ　ｄ　　　（ｍｍ） 第１４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）スキンプレート面とほぼ面部を同じくする絶縁部
   に通電用電極および電圧測定用電極からなる４電極を粗
   として電極間隔を異ならせて２組を設け、これら各組を
   選択して泥水と地山からなる電気的二重層に通電を行い
   、その電位分布の変化から切羽の崩壊形状を検知するよ
   うにしたことを特徴とするシールド式掘削機の切羽崩壊
   検知方法。
2. （２）泥水と地山とからなる電気的二重層に通電を行い
   、その電位分布の変化から切羽崩壊を検知するシールド
   式掘削機の切羽崩壊検知装置において、前記掘削機のス
   キンプレートとほぼ面部を同じくする絶縁部に通電用電
   極および電圧測定用電極からなる４電極を組として電極
   間隔を異ならせて２組設置してなる電極配置手段と、こ
   れら各組ごとに電極を選択する電極チャンネル切換手段
   と、この電極チャンネル切換手段によつて選択された通
   電電極に所定の信号を通電する電源部と、この電源部に
   よる通電後に前記電圧測定用電極から出力される信号を
   用いて切羽崩壊形状を求める演算処理手段とを備えたこ
   とを特徴とするシールド式掘削機の切羽崩壊検知装置。