JP2020143547A - 振動センサ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】地山を掘削する掘削ビットの背面側近傍に安定して配置することの可能な、パイロットセンサを備える振動センサ機構を提供する。【解決手段】掘削ビット及び掘削ビットに打撃を発生させる振動発生機構２２とを備える削孔機と、中空筒体よりなる掘削ロッド本体５を備える掘削ロッドとの間に設置される振動センサ機構１は、一方の端部に削孔機が後端部を挿入した状態で接続され、他方の端部に掘削ロッドが接続されるケースロッド１４と、ケースロッド１４の内周に外接する外形形状に形成されるセンサケース１２と、センサケース１２の中空部に収納され、掘削ビットが地山を削孔する際に発生するビット振動を受振するパイロットセンサ１０と、を備え、ケースロッド１４の中空部に、センサケース１２の外形形状より断面の小さい縮径部１４１が形成され、センサケース１２がケースロッド１４の中空部で、縮径部１４１と削孔機の後端部により押圧固定される。【選択図】図２

Description

本発明は、地山の削孔時に掘削ビットから発生するビット振動を利用して切羽前方地山の状況把握を行う削孔検層に用いられるパイロットセンサを備える振動センサ機構に関する。

従来より、山岳トンネルを施工する際には、掘削対象領域を含む周辺地山に対して事前調査を行い、この調査結果に基づいてトンネルの設計及び施工計画を立案する。山岳トンネルの事前調査では、地山の地盤強度や地層境界の位置を把握する手段として弾性波探査技術が採用されるが、弾性波探査を地表から行うため、土被りの大小により探査精度に影響が生じやすい。このため、より正確に地山状況を把握するべく、山岳トンネルの施工中においても、切羽前方地山の弾性波探査を実施している。

例えば、特許文献１では、トンネル切羽から前方に向けてドリルビットによる削孔を行いつつ、切羽近傍に配置した受振器でドリルビットから地山を直接伝わってきた削孔振動を受振するとともに、ボーリングマシンに取り付けたパイロットセンサで掘削ビットから掘削ロッドを伝ってきた削孔振動を受振する。そして、これら２地点で受振した振動情報に基づいて、ドリルビット先端とトンネル切羽の間の領域における相似的な区間弾性波速度を得ている。

特開２０１６−１７９００号公報

特許文献１のような、地山を削孔するドリルビットを利用して切羽前方地山の状況把握を行う削孔検層によれば、ドリルビットによる削孔振動を発振源とするため、切羽近傍で実施する打撃や発破等を発振源とする速度検層と比較して、大掛かりな発振に係る作業を省略できる。

しかし、ドリルビットによる削孔振動は、上述した切羽近傍で実施する打撃や発破と比較して、その振動が微弱である。また、ドリルビットによる削孔は、掘削ロッドの後端部近傍に配置されたボーリングマシンにドリフター等の打撃装置を装備し、この打撃装置から掘削ロッドを介してドリルビットに打撃力を発生させる。このため、ボーリングマシンから大きな機械振動が発振されるとともに、掘削ロッドを継ぎ足しながら削孔作業を行う場合には、掘削ロッドのジョイント部で削孔振動の重複反射が生じる。

すると、ボーリングマシンに取り付けられ、ドリルビットから掘削ロッドを伝ってきた削孔振動を受振するパイロットセンサは、上記の削孔振動の重複反射やボーリングマシンの機械振動等のノイズを、微弱な削孔振動と併せて受振することとなり、解析結果の精度や信頼性に影響を生じやすい。

このような中、パイロットセンサが受振するノイズを減少させる方法として、掘削ビットに打撃力を発生させる打撃装置を、掘削ロッドの後端部に配置する後端打撃方式から、掘削ロッドの先端に配置する先端打撃方式に切り替えたり、パイロットセンサの設置位置を、ボーリングマシンから掘削ビットにほど近い掘削ロッドの先端近傍に移動する等が考えられる。

しかし、パイロットセンサを掘削ロッドの先端に安定した状態で配置することが難しく、かつ、パイロットセンサで受振したビット振動情報を伝送する構造も煩雑となる。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、地山を掘削する掘削ビットの背面側近傍に安定して配置することの可能な、パイロットセンサを備える振動センサ機構を提供することである。

かかる目的を達成するため、本発明の振動センサ機構は、地山を削孔する掘削ビット及び該掘削ビットに打撃を発生させる振動発生機構とを備える削孔機と、中空筒体よりなる掘削ロッド本体を備える掘削ロッドとの間に設置される振動センサ機構であって、一方の端部に前記削孔機が後端部を挿入した状態で接続され、他方の端部に前記掘削ロッドが接続されるケースロッドと、該ケースロッドの内周に外接する外形形状に形成されるセンサケースと、該センサケースの中空部に収納され、前記掘削ビットが地山を削孔する際に発生するビット振動を受振するパイロットセンサと、を備え、前記ケースロッドの中空部に、前記センサケースの外形形状より断面の小さい縮径部が形成され、前記センサケースが前記ケースロッドの中空部で、前記縮径部と前記削孔機の後端部により押圧固定されることを特徴とする。

本発明の振動センサ機構によれば、ケースロッドの中空部にパイロットセンサを収納したセンサケースを挿入し、ケースロッドに削孔機の後端部を挿入して接続することで、センサケースが、ケースロッドの縮径部と削孔機に押圧固定される。これにより、削孔機に備える振動発生機構が大きい振動を発生した場合にも、パイロットセンサを安定した状態で掘削ビットの背面側近傍に配置でき、地山削孔時に掘削ビットから発生するビット振動を、精度よく受振することが可能となる。

本発明の振動センサ機構は、前記センサケースの外周に、前記ケースロッドの軸線方向に延在する切欠き部が形成されることを特徴とする。

本発明の振動センサ機構によれば、センサケースの切欠き部とケースロッドの隙間を、削孔機の振動発生機構を作動させる作動流体の流路として利用できるため、作動流体の流下を妨げることなく、掘削ビットの近傍にパイロットセンサを安定した状態で配置することが可能となる。

本発明の振動センサ機構は、前記ケースロッド及び前記センサケースが金属材料よりなるとともに、前記ケースロッドに、軸線方向に延在する導電棒が挿入され、前記パイロットセンサの、プラス配線が前記センサケースに備えた接続端子を介して前記導電棒の一端に接続されるとともに、マイナス配線が前記センサケースを介して前記ケースロッドに接続されることを特徴とする。

本発明の振動センサ機構によれば、導電棒をプラス配線、前記ケースロッドをマイナス配線とする２芯の電気ケーブルと見做して、パイロットセンサに給電できるとともに、パイロットセンサが受振したビット振動に係る情報を伝送することが可能となる。

本発明の振動センサ機構は、前記センサケースが、前記ケースロッドの中空部に着脱自在に挿入されることを特徴とする

本発明の振動センサ機構によれば、ケースロッドからセンサケースを容易に取り外しできるため、ケースロッド内の清掃やパイロットセンサの取り換え等、振動センサ機構のメンテナンス作業を容易に実施することが可能となる。

本発明によれば、掘削ビットの背面側に位置する振動発生機構が大きい振動を発生する場合にも、パイロットセンサを安定した状態で掘削ビットの背面側近傍に配置でき、地山削孔時に掘削ビットから発生するビット振動を、精度よく受振することが可能となる。

本発明の実施の形態における振動センサ機構を削孔検層に採用する場合の概略を示す図である。 本発明の実施の形態における振動センサ機構の詳細を示す図である。 本発明の実施の形態における振動センサ機構のセンサケースと導電棒を示す図である。 本発明の実施の形態における振動センサ機構の固定台を示す図である。

本発明の振動センサ機構は、削孔機を掘削ロッドの先端部側に配置して地山を削孔する先端打撃方式の先進ボーリングにより削孔検層を実施する場合に、好適な機構である。以下に、削孔検層に用いるパイロットセンサを備える振動センサ機構を、図１〜４を用いてその詳細を説明する。

本実施の形態における振動センサ機構１は、図１で示すように、トンネルＴの切羽前方地山を掘削ビット２１により削孔しつつ、掘削ビット２１から発生するビット振動を、切羽近傍に設置した受振器Ａおよび掘削ビット２１の背面側近傍に配置されたパイロットセンサ１０の２地点で連続的に受振し、受振した情報から羽前前方の地山状況を把握する削孔検層に用いられるトンネル切羽前方探査システムＳに採用されるものである。

図１で示すように、振動センサ機構１は、削孔装置Ｍを構成する削孔機２と掘削ロッド３の間に設置されるものであり、削孔機２は、地山を削孔する掘削ビット２１と掘削ビット２１の背面側に位置して打撃を付与する振動発生機構２２とを備える。本実施の形態では、振動発生機構２２として水圧ハンマーを採用しており、作動流体Ｗとして高圧水が供給される。

なお、水圧ハンマーは、図１及び図２で示すように、前端部が掘削ビット２１の背面側に接続され、後端部に高圧水が流入する開口を有する筒体２２１と、筒体２２１内で、筒体２２１内の中間部を塞ぐように配置される逆止弁と、逆止弁の挙動に連動して筒体２２１の前端側もしくは後端側に移動するピストンと、を備えている（逆止弁及びピストンは図示していない）。筒体２２１の開口より高圧水が流入すると、筒体２２１内における高圧水の流れ方向が前端部方向となって逆止弁が開状態になるとともに、ピストンは筒体２２１の前端部方向に移動し、その先端が掘削ビット２１の背面を打撃して移動が停止する。

すると、ピストンと逆止弁の間における高圧水の流れ方向が後端側方向となって逆止弁が閉状態になるとともに、ピストンが筒体２２１の後端部方向に移動して、その先端が掘削ビット２１の背面から離間する。筒体２２１に高圧水が供給されている間中、上記の動作が繰り返されることにより、振動発生機構２２は掘削ビット２１に連続的な打撃を発生させて地山を削孔する。

また、掘削ロッド３は、図１で示すように、後端部近傍がボーリングマシンＢに把持され、削孔機２に回転力と推進力を伝達するものであり、金属製の中空筒体よりなる掘削ロッド本体５と、導電材料で形成された高導電性金属棒であり、掘削ロッド本体５より十分小さい断面径を有する掘削ロッド側導電棒７と、掘削ロッド本体５と掘削ロッド側導電棒７との間に介装されるスペーサ９と、を備えている。

なお、スペーサ９については後述するが、掘削ロッド側導電棒７と掘削ロッド本体５との間に隙間を安定して確保するために用いる部材であり、こうして掘削ロッド側導電棒７と掘削ロッド本体５との間に確保した隙間は、振動発生機構２２に供給する作動流体Ｗが流下する作動流体流路Ｌ１として機能する。また、掘削ロッド３は、掘削ロッド本体５をマイナス配線と見做し、また掘削ロッド側導電棒７をプラス配線と見做して、２芯の電気ケーブルとして機能させることができる。

また、掘削ロッド３はその後端部が、ボーリングマシンＢに備えたロータリージョイント付き高圧スイベル１５を介して、データ処理装置４及び高圧水供給パイプＰに連結されている。

データ処理装置４は、データ収録システム４１と、データ解析装置４２とを備え、データ収録システム４１は、いわゆるデータロガーであり、受振器Ａ及びパイロットセンサ１０が受振したビット振動に係る情報を読み取り、データ解析装置４２に出力する。なお、受振器Ａには、弾性波探査で一般に用いられる３成分加速度計を採用している。また、パイロットセンサ１０にも同様の３成分加速度計を採用できるが、本実施の形態では、パイロットセンサ１０に求められる精度や配置スペース等を考慮し、１成分加速度計を採用している。

上述する構成の削孔機２が一方の端部に、掘削ロッド３が他方の端部にそれぞれ接続される振動センサ機構１は、図２で示すように、パイロットセンサ１０と、パイロットセンサ１０が固定される固定台１１と、固定台１１に固定された状態のパイロットセンサ１０が挿入されるセンサケース１２と、センサケース１２に一端が接続される導電棒１３と、導電棒１３およびセンサケース１２が挿入されるケースロッド１４とを備える。

ケースロッド１４は、金属製の中空筒体よりなり、一方の端部に振動発生機構２２の後端部に位置する筒体２２１が挿入され、ケースロッド１４の一方の端部がメス継手６１、振動発生機構２２の筒体２２１がオス継手６２の態様で接続されている。また、ケースロッド１４の他方の端部は、掘削ロッド３の掘削ロッド本体５に接続される。掘削ロッド本体５の一方の端部には、メス継手６１が形成され、ケースロッド１４の他方の端部には、メス継手６１と嵌合するオス継手６２が形成されている。

これら振動発生機構２２の筒体２２１及び掘削ロッド本体５はともに、ケースロッド１４に対して中空部が連通する状態で着脱自在に接続されている。なお、オス継手６２には、例えばＯリング等の止水部材（図示せず）が備えられており、オス継手６２にメス継手６１を嵌合した際に、止水性能を有する継手構造が形成される。

導電棒１３は、図２（ａ）及び図３で示すように、掘削ロッド側導電棒７と同様の高導電性金属棒よりなり、長手方向をケースロッド１４の軸線と平行にして、ケースロッド１４の中空部に配置されている、また、掘削ロッド側導電棒７と同様のスペーサ９が設置されており、このスペーサ９によりセンサ側導電棒１３とケースロッド１４との間の隙間は、安定した状態で確保されている。

スペーサ９は、図２（ｂ）及び図３で示すように、導電棒１３を把持する把持部９１と、把持部９１の外縁より突出し、突出端部が掘削ロッド本体５の内周面に当接する導電棒支持部９２と、を有する。また、スペーサ９は、導電棒１３を把持した状態でケースロッド１４へ挿入した際に、ケースロッド１４の中空部を閉塞することのないよう、ケースロッド１４の軸線方向に延在する切欠きや通し孔等により形成された連通部９３を備えている。

スペーサ９の形状はいずれでもよいが、本実施の形態では、把持部９１が掘削ロッド側導電棒７を包持するようリング形状に形成され、導電棒支持部９２が把持部９１の外縁より放射方向に３体突出し、隣り合う導電棒支持部９２の間が連通部９３に相当する。

センサケース１２は、図２（ａ）（ｃ）及び図３で示すように、ケースロッド１４の内周面に外接する大きさの外形形状を有する中空筒体よりなり、一方の端部にケース蓋１２１が着脱自在に嵌合される開口が形成され、他方の端部は導電棒１３の一端と接続する接続端子１２２が配置された状態で閉塞されている。なお、ケース蓋１２１にはＯリング等の止水材が設置されており、センサケース１２の中空部は水密状態に保持されるが、必要に応じてグリースＧを充填してもよい。

また、センサケース１２の外周面には、図２（ｃ）で示すように、ケースロッド１４に挿入された際に、ケースロッド１４の軸線方向に延在する切欠き部１２３が複数形成されており、センサケース１２の外周面とケースロッド１４の間に隙間が形成されている。この隙間は、スペーサ９の連通部９３により形成されたケースロッド１４と導電棒１３の隙間と連通し、振動発生機構２２に供給する作動流体Ｗが流下する作動流体流路Ｌ２として機能する。

固定台１１は、図２（ａ）および図４で示すように、パイロットセンサ１０が設置される長尺の固定板１１１を備え、長手方向がセンサケース１２の軸線方向と平行となるようにして、センサケース１２の開口からその中空部に、パイロットセンサ１０を設置した状態で挿入される。

固定台１１はその大きさが、図２（ａ）で示すように、センサケース１２の開口をケース蓋１２１で塞いだ際に、センサケース１２の中空部でガタツキが生じない大きさに形成されている。

また、固定台１１には、導電棒１３と対向する側の端部に、パイロットセンサ１０から延びるプラス配線と接続されるとともに、センサケース１２に設けた接続端子１２２に備えたメスコネクタ１２２１に接続するオスコネクタ１１２が設置されている。なお、パイロットセンサ１０から延びるマイナス配線は、固定台１１に接続されている。

上記の振動センサ機構１は、固定台１１、センサケース１２及びケースロッド１４がいずれも金属製の部材により製作されており、これらをマイナス配線と見做し、導電棒１３をプラス配線と見做し、２芯の電気ケーブルとして機能させることができる。

したがって、図２で示すように、ケースロッド１４の他方の端部と掘削ロッド３の掘削ロッド本体５とを接続し、導電棒１３のメス電極部８２と掘削ロッド側導電棒７のオス電極部８１とを接続する。さらに、図１で示すように、ボーリングマシンＢに備えたロータリージョイント付き高圧スイベル１５を介して掘削ロッド３をデータ処理装置４のデータ収録システム４１に接続する。

これにより、データ収録システム４１から２芯の電気ケーブルとしての機能を有する掘削ロッド３及び振動センサ機構１を経由してパイロットセンサ１０に、電力を自動供給することができるとともに、パイロットセンサ１０で受振したビット振動情報をデータ収録システム４１に伝送することが可能となる。

また、図２で示すように、振動センサ機構１のケースロッド１４は、一方の端部に振動発生機構２２の筒体２２１が挿入された状態で固定され、他方の端部に掘削ロッド３の掘削ロッド本体５が接続されることにより、これらは中空部が連通した状態となる。

したがって、図１で示すように、ロータリージョイント付き高圧スイベル１５を介して掘削ロッド３の後端部から高圧水給水パイプＰより作動流体Ｗである高圧水を注入する。すると、作動流体Ｗが掘削ロッド３に形成された作動流体流路Ｌ１および振動センサ機構１に形成された作動流体流路Ｌ２を介して振動発生機構２２の筒体２２１に供給され、振動発生機構２２に採用した水圧ハンマーを作動させることが可能となる。

上記のとおり、掘削ロッド３に形成された作動流体流路Ｌ１および振動センサ機構１に形成された作動流体流路Ｌ２には、作動流体Ｗである高圧水が流下する。このため、掘削ロッド３の掘削ロッド側導電棒７及び振動センサ機構１の導電棒１３はそれぞれ、図２で示すように、高圧水が直接触れることのないよう電気絶縁材料よりなる絶縁部材Ｅにより被覆され、漏電対策が講じられている。

また、掘削ロッド側導電棒７及び導電棒１３に備えられるメス電極部８２は、その外周部が絶縁部材（図示せず）により形成されており、オス電極部８１が差し込まれると絶縁が確保されるキャップ状に形成されている。また、内周面には止水ゴムとして一般に広く用いられているＯリング（図示せず）が設置されており、オス電極部８１が嵌合して形成される接続部は、水密構造となっている。さらに、掘削ロッド３及び振動センサ機構１の両者に用いられているスペーサ９も、電気絶縁材料により形成されている。

ところで、図２（ａ）で示すように、ケースロッド１４の中空部には、センサケース１２の外径より小さい縮径部１４１が形成されている。これにより、センサケース１２をケースロッド１４の一方の端部から中空部内に挿入すると、センサケース１２が縮径部１４１に当接する。

この状態で、図２（ａ）（ｃ）で示すようなセンサケース抑えリング１４２を介してケースロッド１４の一方の端部から、振動発生機構２２の後端部に位置する筒体２２１を挿入する状態で、削孔機２をケースロッド１４に接続する。なお、ケースロッド１４の一方の端部がメス継手６１、振動発生機構２２の筒体２２１がオス継手６２の態様で接続されている。すると、センサケース１２がケースロッド１４の縮径部１４１と振動発生機構２２により強固に押圧固定されることとなる。

このような振動センサ機構１を、削孔装置Ｍを構成する削孔機２と掘削ロッド３の間に設置し、図１で示すように、削孔装置Ｍを用いてトンネルＴの切羽前方を掘削ビット２１により削孔しながら、掘削ビット２１から発生するビット振動を、トンネルの切羽近傍に設置した受振器Ａおよび振動センサ機構１に備えたパイロットセンサ１０の２地点で連続的に受振する。

すると、振動発生機構２２を作動させる作動流体Ｗの流下を妨げることなく、また、振動発生機構２２が大きい振動を発生した場合にも、掘削ビット２１の背面側近傍でパイロットセンサ１０を安定した状態で配置することが可能となり、掘削ビット２１から発生するビット振動を、精度よく受振することが可能となる。

また、削孔機２を振動センサ機構１から取り外すのみの簡略な構成で、ケースロッド１４からセンサケース１２を容易に取り外しできるため、ケースロッド１４内の清掃やパイロットセンサ１０の取り換え等、振動センサ機構１のメンテナンス作業を容易に実施することが可能となる。

本発明の振動センサ機構１は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、掘削ビット２１に打撃力を付与する振動発生機構２２として水圧ハンマーを採用したが、他の流体を用いた打撃ハンマーを採用する等、掘削ビット２１に打撃力を付与可能な機構であれば、いずれのものを採用してもよい。

また、本実施の形態では、掘削ロッド３に２芯の電気ケーブルの機能を持たせたうえで、振動センサ機構１に接続したが、必ずしもこれに限定するものではなく、掘削ロッド３に別途２芯の電気ケーブルを内装し、振動センサ機構１を構成するケースロッド１４と導電棒１３に接続する構成としてもよい。

１ 振動センサ機構
２ 削孔機
２１ 掘削ビット
２２ 振動発生機構
２２１ 筒体
３ 掘削ロッド
４ データ処理装置
４１ データ収録システム
４２ データ解析装置
５ 掘削ロッド本体
６１ メス継手
６２ オス継手
７ 掘削ロッド側導電棒
８１ オス電極部
８２ メス電極部
９ スペーサ
９１ 把持部
９２ 導電棒支持部
９３ 連通部
９４ 押圧部
１０ パイロットセンサ
１１ 固定台
１１１ 固定板
１１２ オスコネクタ
１２ センサケース
１２１ ケース蓋
１２２ 接続端子
１２２１ メスコネクタ
１２３ 切欠き部
１３ 導電棒
１４ ケースロッド
１４１ 縮径部
１４２ センサケース抑えリング
１５ ロータリージョイント付き高圧スイベル

Ａ 受振器
Ｂ ボーリングマシン
Ｇ グリース
Ｌ１ 作動流体流路
Ｌ２ 作動流体流路
Ｍ 削孔装置
Ｓ トンネル切羽前方探査システム
Ｗ 作動流体（高圧水）
Ｐ 高圧水供給パイプ
Ｅ 絶縁部材

Claims (4)

1. 地山を削孔する掘削ビット及び該掘削ビットに打撃を発生させる振動発生機構とを備える削孔機と、中空筒体よりなる掘削ロッド本体を備える掘削ロッドとの間に設置される振動センサ機構であって、
   一方の端部に前記削孔機が後端部を挿入した状態で接続され、他方の端部に前記掘削ロッドが接続されるケースロッドと、
   該ケースロッドの内周に外接する外形形状に形成されるセンサケースと、
   該センサケースの中空部に収納され、前記掘削ビットが地山を削孔する際に発生するビット振動を受振するパイロットセンサと、を備え、
   前記ケースロッドの中空部に、前記センサケースの外形形状より断面の小さい縮径部が形成され、
   前記センサケースが前記ケースロッドの中空部で、前記縮径部と前記削孔機の後端部により押圧固定されることを特徴とする振動センサ機構。
2. 請求項１に記載の振動センサ機構において、
   前記センサケースの外周面に、前記ケースロッドの軸線方向に延在する切欠き部が形成されることを特徴とすることを特徴とする振動センサ機構。
3. 請求項１または２に記載の振動センサ機構において、
   前記ケースロッド及び前記センサケースが金属材料よりなるとともに、
   前記ケースロッドに、軸線方向に延在する導電棒が、挿入され、
   前記パイロットセンサの、プラス配線が前記センサケースに備えた接続端子を介して前記導電棒の一端に接続されるとともに、マイナス配線が前記センサケースを介して前記ケースロッドに接続されることを特徴とする振動センサ機構。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の振動センサ機構において、
   前記センサケースが、前記ケースロッドの中空部に着脱自在に挿入されることを特徴とする振動センサ機構。