JP2017032518A - 振動特定システムと振動特定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地中もしくは地上に多数の振動センサを設置する必要がなく、掘進機の掘進の際に発生し得る特徴振動を速やかに特定することのできる振動特定システムと振動特定方法を提供すること。【解決手段】掘進機１の内部に設置された振動センサ２と、振動センサ２によるセンシングデータを受信し、地上に影響を与えると推定される特徴振動の有無をセンシングデータから特定する特定装置３と、を備えている振動特定システム１０である。【選択図】図１

Description

本発明は、掘進機の掘進の際に生じる振動のうち、地上に影響すると想定される特徴振動を特定する振動特定システムと振動特定方法に関するものである。

シールド工法で適用される掘進機や推進工法で適用される掘進機（推進機）が地中を掘進するに当たり、掘進機前面のカッターが大きな岩を噛んで異音や大きな振動を発する場合や、掘進機側面と側方の土砂の間の摩擦で異音や大きな振動を発する場合（掘進機がカーブする際が特に顕著）などがある。

このような場合に発生した異音や大きな振動は場合によっては地上に伝搬され、たとえば建物や家具などを揺らしたり、振動から固体伝搬音を発生させ、これが苦情の原因となり得る。

したがって、苦情が生じるような振動、言い換えれば地上に影響を与え得る特徴振動を発生させないことが必要になるが、特徴振動の発生が上記するように回避困難な要因によるものであることから、特徴振動の発生を速やかに検知し、特徴振動を発生し続けない対策を講じることが現実的な解決策となり得る。

たとえば、特徴振動を速やかに検知した後、掘進機の掘進速度を遅くしたり、カッターヘッドの回転数を低くするといった、いわゆる静音対策モード運転をおこなうことにより、特徴振動の発生を速やかに解消することができる。

ここで、特許文献１には、ガス管等の地中構造物に振動センサを連続的に設置しておき、シールドマシン等の工事用機械の振動特性を事前に振動センサで計測しておき、データをCPUに記憶させ、工事中に工事用機械から発する振動の地中での伝播特性を振動センサで検知し、検知信号とCPUにおける記憶データを比較して工事用機械の位置を検知する検知装置が開示されている。

この検知装置によれば、工事用機械の位置等を正確に検知できるとしている。しかしながら、ガス管等の地中構造物に振動センサを連続的に設置しておくことから、振動センサの設置に要する時間とコストの問題がある。さらには、振動センサの設置可能な地中構造物が存在しない場所での振動検知ができないといった問題もある。

特開２００１−５９７１９号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、地中もしくは地上に多数の振動センサを設置する必要がなく、掘進機の掘進の際に発生し得る特徴振動を速やかに特定することのできる振動特定システムと振動特定方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明による振動特定システムは、掘進機の内部に設置された振動センサと、振動センサによるセンシングデータを受信し、地上に影響を与えると推定される特徴振動の有無をセンシングデータから特定する特定装置と、を備えているものである。

本発明の振動特定システムは、掘進機内に振動センサが設置され、この振動センサでセンシングされた振動の中から、特定装置にて特徴振動を割り出すシステムである。このように、掘進機内に振動センサがあることから、多数の振動センサを地中や地上に設置する必要はない。

掘進機内に振動センサを設置する場所としては、カッターヘッドの近傍や推進ジャッキの近傍等、振動源となり得る場所の近傍を振動センサの設置場所とするのが好ましい。このように掘進機内の適所に振動センサが設置されることから、実際に特徴振動を発している特徴振動源に近い位置で特徴振動の有無を検出することができ、検出精度も極めて高くなる。

また、特定装置は、振動センサと同様に掘進機内に設置されていてもよいし、地上の管理棟内に設置されていてもよい。

ここで、「特徴振動」とは、既述するように、地上に影響を与えると想定される振動であり、たとえば、他の振動に比べて振動加速度レベルが5dB以上、もしくは10dB以上の大きな振動のことを意味している。実際には、地中の掘進機の位置や地盤性状、振動源から地上の任意地点までの伝搬過程での振動の内部減衰態様、地上の場所や建物等の被伝搬対象の構造等により、伝搬された振動がその場所に影響を与える振動となるか否かは変化する。しかしながら、ここでは、上記するように、たとえば時刻歴波形の中で他の振動に比して極端に大きな振動を「特徴振動」とするものである。

振動センサは、一般には加速度センサであるが、速度センサや変位センサなどであってもよい。

掘進機が稼働中は、掘進機内の振動センサにて振動に関するセンシングデータを常時受信する。

特定装置では、たとえば得られたセンシングデータの時刻歴波形を任意のアルゴリズムで解析し、特徴振動の有無の特定をおこなう。

ここで、特定装置による特徴振動の有無の特定方法として、以下で示す種々の方法を挙げることができる。

一つの特定方法は、センシングデータである時刻歴波形そのものから特徴振動を割り出す方法である。

特定装置は時刻歴波形を表示する表示部（表示画面）を備えたコンピュータからなり、時刻歴波形の中で特に大きな振動が検出された際に、これをコンピュータ（特定装置）で自動的に割出し、管理者に警報等で告知するものである。

たとえば、振動加速度レベルに予め閾値を設けておき、閾値を超えるレベルの振動加速度が検知された際に警報を発するようにしてもよい。なお、管理者がコンピュータ画面上の時刻歴波形を随時監視し、大きな振動が現れた際にこれを特徴振動であると特定することも、「特定装置による振動の有無の特定」に含まれるものとする。

また、他の特定方法は、センシングデータである時刻歴波形をバンドパスフィルタにかけてフィルタ後の時刻歴波形を求め、フィルタ後の時刻歴波形そのものから特徴振動を割り出す方法である。

この方法では、振動成分の中で振動加速度レベルが閾値以上、もしくは他の振動に比して極端に大きなものを特徴振動として特定してもよいし、さらに、精度を上げるべく、ＦＦＴ等をおこなって特定してもよい。

さらに他の特定方法は、センシングデータである時刻歴波形をバンドパスフィルタにかけてフィルタ後の時刻歴波形を求め、フィルタ後の時刻歴波形において時刻歴の変動成分を抽出する方法である。

この方法では、バンドパスフィルタにかける方法や、ＦＦＴ分析する方法、ケプストラム分析する方法、自己相関関数を算定する方法などをさらに実施することもできる。

特徴振動が特定されない場合は、掘進機の掘進を継続することができる。また、仮に特徴振動が特定された際には、掘進機を静音対策モードで掘進させることにより、特徴振動の発生を解消しながら、掘進機の掘進を継続することが可能になる。

ここで、「静音対策モード」とは、掘進機の掘進速度を遅くすることの他、カッターヘッドの回転数を低くすること、掘進機本体全周に滑材注入孔を設けておき、必要に応じて余掘り部への滑材注入をおこない、掘進機と地盤との摩擦低減を図ること、といった種々の対策を包含する意味である。さらに、掘進を停止させ、カッタービットやローラービットを点検し、必要に応じて交換することや、積極的に夜間施工を控えること、といった対策も包含される。

また、本発明は振動特定方法にも及ぶものであり、この特定方法は、掘進機の内部に振動センサを設置した状態で掘進機を掘進させる第１のステップ、振動センサによるセンシングデータを特定装置で受信し、特定装置にて、地上に影響を与えると推定される特徴振動の有無を特定する第２のステップからなるものである。

この振動特定方法によれば、多数の振動センサの設置を不要とし、したがって、工費を高騰させることなく、特徴振動の有無を精度よく特定することができる。さらに、苦情がくる前に掘進機を静音対策モードで掘進させることが可能になり、特徴振動に起因した苦情の発生を抑制することができる。

また、この振動特定方法においても、特徴振動の有無を特定する方法は、上記するセンシングデータである時刻歴波形そのものから特徴振動を割り出す方法や、時刻歴波形をバンドパスフィルタにかけてフィルタ後の時刻歴波形を求め、フィルタ後の時刻歴波形そのものから特徴振動を割り出す方法、時刻歴波形をバンドパスフィルタにかけてフィルタ後の時刻歴波形を求め、フィルタ後の時刻歴波形において時刻歴の変動成分を抽出する方法のいずれか一種を適用することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の振動特定システムと振動特定方法によれば、掘進機内に振動センサが設置され、この振動センサでセンシングされた振動の中から、特定装置にて特徴振動を割り出すことにより、振動源に近い場所で可及的に少ない数の振動センサにて振動を継続的に取り込み、特徴振動がある場合は特定装置にて速やかに特徴振動を特定することができる。このように地上に影響があると想定される特徴振動を速やかに特定することで、以後の特徴振動の発生を解消する対策を速やかに講じることができ、特徴振動に起因した苦情の発生を抑制することができる。

本発明の振動特定システムの実施の形態を示した模式図である。 本発明の振動特定方法の実施の形態のフロー図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）の順に、振動特定方法の実施の形態１を説明した図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）の順に、振動特定方法の実施の形態２を説明した図である。 （ａ）は振動特定方法の実施の形態３を説明した図であり、（ｂ）は比較例として示す、通常の振動加速度レベルの時刻歴波形を示した図である。

以下、図面を参照して、本発明の振動特定システムと振動特定方法の実施の形態を説明する。なお、図示例は、特定装置が掘進機と離れた地上の管理棟内に設置された形態を示しているが、特定装置が振動センサとともに掘進機内に設置され、特定装置による特定結果に基づいて掘進機内にいる管理者が以後の対策を講じる形態であってもよい。

（振動特定システムの実施の形態）
図１は本発明の振動特定システムの実施の形態を示した模式図である。
図示する振動特定システム１０は、地盤Ｇ内を掘進する掘進機１（Ｘ１方向）と、掘進機１の内部の適所に設置された振動センサ２と、振動センサ２からのセンシングデータを受信し、地上に影響を与えると推定される特徴振動の有無をセンシングデータから特定する特定装置３と、から大略構成されている。

掘進機１は、シールド工法で適用されるシールドマシン、推進工法で適用される推進機のいずれであってもよいが、図示例は、シールドマシンを取り上げている。

掘進機１は、前面のカッターヘッド１ａ、本体を画成するスキンプレート１ｂ、地盤内に設置したセグメントＳ等の構築物に反力を取って掘進機１を前方に押し出す推進ジャッキ１ｃ、カッターヘッド１ａ背面に取り込まれた掘削土を掘進機１の後方に搬送するスクリューコンベヤ１ｄ、セグメントＳを設置するエレクタ１ｅから大略構成されている。

掘進機１の掘進に伴い、異音（や大きな振動）を生じるケースは、カッターヘッド１ａが大きな岩を噛んだ場合や、掘進機１の側面と側方の土砂の間に大きな摩擦が生じた場合などがある。

そこで、このような異音もしくは大きな振動の音源（振動源）の近傍となる、カッターヘッド１ａの背面位置や、スキンプレート１ｂの背面のジャッキ１ｃの近傍などに複数の振動センサ２を設置する。

掘進機１の掘進に際し、振動センサ２によるセンシングは継続しておこない、そのセンシングデータは地上の管理棟４内に設置された特定装置３に送信され、ここでデータが格納される。

振動センサ２は一般には加速度センサであり、振動加速度の時刻歴データが特定装置３に随時送られ、コンピュータで構成された特定装置３では、コンピュータ画面上に各振動センサ２から送信された時刻歴波形が表示される。なお、振動センサ２は、振動加速度センサのほか、振動速度センサや振動変位センサなどであってもよい。

特定装置３において、地上に影響を与えると想定される「特徴振動」が特定されたら、掘進機１の掘進を静音対策モードに移行させる。ここで、静音対策モードとしては、掘進機１の掘進速度を遅くすること、カッターヘッド１ａの回転数を低くすること、掘進機１のスキンプレート１ｂの全周に滑材注入孔を設けておき、必要に応じて余掘り部への滑材注入をおこない、掘進機と地盤との摩擦低減を図ること、といった対策がある。

特定装置３にて特徴振動が特定されたら、管理者は掘進機１に対して上記いずれかの静音対策モードをおこなうように制御することで、特徴振動の発生を解消し、特徴振動が地上へ及ぼす影響を迅速に回避することができる。また、これらの静音対策モードを実行した場合には、掘進機１の掘進を継続させることができる。

なお、静音対策モードは、掘進機１を停止させて実行する形態もあり、掘進を停止させ、ローラービットを点検し、必要に応じて交換することや、積極的に夜間施工を控えることなどであってもよい。

次に、図２を参照して、振動特定方法の具体的な方法と特定装置における特徴振動の有無の特定アルゴリズムを説明する。

掘進機１内に設置された振動センサ２で振動を測定し、センシングデータを特定装置３に送信し、特定装置３にてセンシングデータに基づいて特徴振動の有無を特定する。

ここで、特徴振動の有無の特定方法としては、図示するように、Ａ：時刻歴波形の生データの値で特定する方法や、Ｂ：周波数分析で特定する方法、Ｃ：特定の周波数成分の変動成分の有無で特定する方法などがある。

時刻歴波形の生データの値で特定する方法は、たとえば特定装置３内に振動加速度に関する閾値を設定しておき、この閾値を超えた振動加速度が検知された際に特徴振動ありと特定する形態や、管理者が時刻歴波形を随時監視し、振動加速度が一定の閾値を超えたり、他の振動加速度レベルのたとえば5dB以上に達した場合に特徴振動ありと特定する形態などがある。

一方、周波数分析で特定する方法では、各バンドの値で特定したり、周波数特性の形で特定する方法がある。

また、特定の周波数成分の変動成分の有無で特定する方法では、バンド値の変動成分で特定したり、ケプストラム分析で特定したり、自己相関関数で特定する方法がある。
ここで、図３〜５を参照して、具体的な特定方法を説明する。

（振動特定方法の実施の形態１）
振動特定方法の実施の形態１を図３（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に説明している。
図３（ａ）で示すように、まず、時刻歴波形から各周波数成分における振動加速度レベルを特定し、周波数成分ごとに時刻歴波形を作成する。

図３（ｂ）は、周波数31.5Hz帯域の時刻歴波形を示している。同図で示すように、この周波数帯域では、10秒間隔で1〜2回振動加速度が大きくなることが分かる。

そこで、この変動成分を抽出し、その値が大きい場合に特徴振動であると特定するべく、図３（ｂ）の周波数帯域の時刻歴波形をさらにＦＦＴ分析する。

ＦＦＴ分析結果を図３（ｃ）に示す。同図より、0.13Hz、すなわち10秒間で1.3回の頻度で変動成分があること、この変動成分の値が大きいことより、周波数31.5Hz帯域において特徴振動があると特定することができる。

なお、上記各解析は、解析プログラムが特定装置３内に内蔵されており、特定装置３内のCPUが各解析プログラムを実行制御するものである。

（振動特定方法の実施の形態２）
次に、振動特定方法の実施の形態２を図４（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に説明している。
図示を省略するが、図３（ａ）と同様に、まず、時刻歴波形から各周波数成分における振動加速度レベルを特定し、周波数成分ごとに時刻歴波形を作成する。

次に、各周波数成分の時刻歴波形の中で、図４（ａ）で示すように、振動加速度レベルが大きな時刻歴波形を有する周波数31.5Hz帯域を取り出す。

取り出した時刻歴波形の中で、一定時間の時刻歴波形をさらに抽出し、図４（ｂ）で示すように拡大してみる。

一定間隔で振動加速度レベルの大きな波が確認でき、これをＦＦＴ分析することで、図４（ｃ）で示す結果を得る。
同図より、2.1Hzで変動成分があること、この変動成分の値が大きいことより、周波数31.5Hz帯域において特徴振動があると特定することができる。

（振動特定方法の実施の形態３）
次に、振動特定方法の実施の形態３を図５（ａ）に説明している。
図示を省略するが、図３（ａ）と同様に、まず、時刻歴波形から各周波数成分における振動加速度レベルを特定し、周波数成分ごとに時刻歴波形を作成する。

次に、各周波数成分の時刻歴波形の中で、図５（ａ）で示すように、振動加速度レベルが大きな時刻歴波形を有する周波数31.5Hz帯域を取り出す。

図５（ｂ）には、周波数31.5Hz帯域における通常の時刻歴波形を示している。図５（ａ）、（ｂ）の各時刻歴波形を比較すると明らかなように、図５（ａ）で示す振動加速度レベルは通常の5dB〜10dB程度も大きくなっており、この時刻歴波形を確認するだけで特徴振動ありと特定することができる。

なお、このように時刻歴波形のみから特定する際には、特定装置３内に予め振動加速度レベルに関する閾値を設けておき、この閾値を超えた際に特徴振動ありと特定する形態や、管理者が各周波数帯域の各時刻歴波形を常時観測し、図５（ａ）で示す例のように振動加速度レベルが明らかに大きな場合に特徴振動ありと特定する形態などがある。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…掘進機、２…振動センサ、３…特定装置（コンピュータ）、４…管理棟、１０…振動特定システム、Ｇ…地盤

Claims (4)

1. 掘進機の内部に設置された振動センサと、
   振動センサによるセンシングデータを受信し、地上に影響を与えると推定される特徴振動の有無をセンシングデータから特定する特定装置と、を備えている振動特定システム。
2. 特定装置では、以下のいずれかの方法で特徴振動の有無を特定する、
   （１）センシングデータである時刻歴波形そのものから特徴振動を割り出す方法、
   （２）センシングデータである時刻歴波形をバンドパスフィルタにかけてフィルタ後の時刻歴波形を求め、フィルタ後の時刻歴波形そのものから特徴振動を割り出す方法、
   （３）センシングデータである時刻歴波形をバンドパスフィルタにかけてフィルタ後の時刻歴波形を求め、フィルタ後の時刻歴波形において時刻歴の変動成分を抽出する方法、請求項１に記載の振動特定システム。
3. 掘進機の内部に振動センサを設置した状態で掘進機を掘進させる第１のステップ、
   振動センサによるセンシングデータを特定装置で受信し、特定装置にて、地上に影響を与えると推定される特徴振動の有無を特定する第２のステップからなる振動特定方法。
4. 特定方法では、以下のいずれかの方法で特徴振動の有無を特定する、
   （１）センシングデータである時刻歴波形そのものから特徴振動を割り出す方法、
   （２）センシングデータである時刻歴波形をバンドパスフィルタにかけてフィルタ後の時刻歴波形を求め、フィルタ後の時刻歴波形そのものから特徴振動を割り出す方法、
   （３）センシングデータである時刻歴波形をバンドパスフィルタにかけてフィルタ後の時刻歴波形を求め、フィルタ後の時刻歴波形において時刻歴の変動成分を抽出する方法、請求項３に記載の振動特定方法。

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