JP2021028604A - 探査システム、シールド掘削機及び探査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発進後であっても送受信器を取付けたり、位置調整したりして、シールド掘削機の機外における地中の未掘削領域までの距離を算出できる探査システム、シールド掘削機及び探査方法を提供することを目的とする。【解決手段】探査システム１００は、ＰＣ１０５が、スキンプレート２１や隔壁２２に取付けられた送受信器１０１が音波を送信してから反射波を受信するまでの第１時間（ｔ）と、スキンプレート２１や隔壁２２を伝播する第２時間（通過時間ｔｓ）と、掘削土を伝播する伝播速度ＣＭとに基づいて、地中における緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌＭ）を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、前記シールド掘削機の機外における地中の未掘削領域までの距離を算出する探査システム、シールド掘削機及び探査方法に関する。

地中に隧道を構築する密閉型のシールド掘削機では、掘削面が全て掘進機で覆われており、地山状況を目視で確認することができず、切羽崩壊の兆候を捉えることが困難であるため、土被りや地質調査資料を基に算出した切羽設定圧を維持しながら施工する。

また、実際にはシールド掘削機の推力やカッター部の回転トルクなどの運転データや掘削排土量、地表面変位量などの計測結果に基づいて、適宜その設定圧を調整しながら掘削する。しかしながら、シールド掘削機の運転データは、土質変化を判断する間接的な指標でしかなく、掘削排土量は土質によりほぐし率が異なるため土質変化を伴う区間では切羽設定圧と、掘削状況に応じた適正な切羽圧との乖離を評価することが難しかった。そのため、地表面や埋設物、近接構造物の変位を観察してその乖離を評価することも行われているが、地表面等に変状が現われるまでには時間差があるため、広範囲にわたって沈下又は隆起を及ぼす可能性があった。

そこで、例えば、カッターヘッドに電磁波レーダを搭載して、シールド掘削機近傍の地山状態の直接的に計測することが提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に記載の電磁波レーダは、機外のカッターヘッドに取付けられているため、シールド掘削機の発進後は加圧下の泥水（または泥土）中であるため、計測器の増設、取付け位置の変更等を行うことができなかった。

特開平０８−２７８３７１号公報

そこで本発明は、発進後であっても送受信器を取付けたり、位置調整したりして、シールド掘削機の機外における地中の未掘削領域までの距離を算出できる探査システム、シールド掘削機及び探査方法を提供することを目的とする。

この発明は、シールド掘削機の胴体部において外殻や隔壁を構成する鋼製部材の機内側に取付けられ、機外に向けて音波を送信するとともに、前記機外で反射した反射波を受信する送受信器と、前記送受信器における少なくとも受信情報に基づいて、地中における掘削範囲を演算する演算器とが設けられ、該演算器が、前記音波を送信してから前記反射波を受信するまでの第１時間と、前記音波が前記鋼製部材を伝播する第２時間と、前記音波が掘削土を伝播する速度である伝播速度とに基づいて、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を算出する探査システム、及び前記探査システムを備えたシールド掘削機であることを特徴とする。

またこの発明は、シールド掘削機の胴体部において外殻や隔壁を構成する鋼製部材の機内側に取付けられた送受信器から機外に向けて音波を送信するとともに、前記機外で反射した反射波を受信し、前記音波を送信してから前記反射波を受信するまでの第１時間と、前記音波が前記鋼製部材を伝播する第２時間と、前記音波が掘削土を伝播する速度である伝播速度とに基づいて、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を算出する探査方法であることを特徴とする。

上記シールド掘削機は、土圧バランス式、加泥式、土圧加水式などの泥土圧式シールド掘削機や泥水加圧式シールド掘削機であってもよく、さらには、密閉式であればＴＢＭ等であってもよい。
上記送受信器は、音波を送信する送信機能と受信する受信機能とを有する一体型送受信器であってもよいし、音波を送信する送信器と受信する受信機とが別体構成されていてもよい。また、上記送受信器は１台であってもよいし、複数台を併用してもよい。

上述の前記音波が掘削土を伝播する速度である伝播速度は、試掘等で掘削した施工箇所の土質を伝播する伝播速度のように予め設定された伝播速度であってもよいし、施工によって掘削された掘削土を伝播する伝播速度やあるいは音速であってもよい。
上記未掘削領域は、切削ビットによる掘削に伴って地山が緩んだ箇所及び余掘り部分を除き、地山において緩んでいない領域を指す。

この発明により、発進後であっても送受信器を取付けたり、位置調整したりして、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を算出することができる。
詳述すると、シールド掘削機の胴体部において外殻や隔壁を構成する鋼製部材の機内側に取付けられた送受信器から機外に向けて音波を送信するとともに、機外の未掘削領域で反射した反射波を受信し、前記送受信器における少なくとも受信情報に基づいて、地中における掘削範囲を演算する演算器とが設けられ、該演算器が、前記音波を送信してから前記反射波を受信するまでの第１時間と、前記音波が前記鋼製部材を伝播する第２時間と、前記音波が掘削土を伝播する速度である伝播速度とに基づいて、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を算出するため、機外において掘削に伴って緩んだ箇所や余掘り部分などの余掘り領域の大きさを把握することができる。したがって、地山崩壊の兆候の有無を評価する。

また、送受信器をシールド掘削機の機内に取付けるため、施工中の送受信器の点検、交換などのメンテナンス、送受信器の取付け位置の変更などに柔軟に対応することができる。

また、上記構成により、送受信器による計測や、送受信器の取付けに関して、シールド掘削機に特別な構造を要することなく、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を算出することができる。

なお、特別な構造としては、掘削土や未掘削領域に送受信器を直接接触させるための窓や孔、あるいはそれらの止水構造、さらには、音波の伝達効率を向上するための、材質の異なる導波材を鋼製部材に組込むことなどが挙げられる。

この発明の態様として、前記音波がパルス波であってもよい。
この発明により、前記送受信器でパルス波を送受信して、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を精度よく算出することができる。

またこの発明の態様として、前記伝播速度は、前記シールド掘削機で掘削した掘削土における前記伝播速度であってもよい。
上記掘削土は、チャンバー内の掘削土、排土された掘削土、排土管などの管内で搬送される掘削土であってもよい。

この発明により、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離をさらに精度よく算出することができる。
詳述すると、施工によって掘削された掘削土を前記音波が伝播する伝播速度に基づいて、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を算出するため、予め設定された伝播速度に基づいて算出する場合に比べて精度よく算出することができる。

またこの発明の態様として、前記送受信器は、前記隔壁に取付けられるとともに、前方に向かって前記音波を送信する構成とし、前記演算器は、前記胴体部の前方において回転し、掘削するカッター部と前記隔壁との間のチャンバー内部に取り込まれた前記掘削土を前記音波が伝播する第３時間と、前記カッター部と前記隔壁との距離とに基づいて前記伝播速度を算出してもよい。

この発明により、機外の地山状況により近い、チャンバー内の掘削土の伝播速度に基づいて、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を算出するため、より高精度で算出することができる。

なお、前記第３時間と、前記カッター部と前記隔壁との距離とに基づいて前記伝播速度を算出する演算器は、前記第１時間、前記第２時間、及び前記伝播速度に基づいて前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を算出する演算器と同じ演算器であってもよいし、別の演算器であってもよい。

またこの発明の態様として、前記送受信器で送受信する前記音波が前記鋼製部材を伝播しやすくなるように前記送受信器を前記鋼製部材の機内側に取付ける取付手段が設けられてもよい。
前記取付手段は、前記シールド掘削機の機内において前記鋼製部材に対して密着するように押し当てて取付ける螺子止め可能な取付台やマグネット式の取付け治具などであってもよい。なお、この場合の鋼製部材に対する押付け反力は数百ｋＮ程度であればよい。さらには、前記鋼製部材と前記送受信器との間にジェル状の取付け材を介在させて、密着させるように構成された取付手段であってもよい。

この発明により、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を高精度で確実に算出することができる。
詳述すると、前記取付手段によって前記送受信器を前記鋼製部材の機内側に取付けることで、前記送受信器で送受信する前記音波が前記鋼製部材を伝播しやすくなるため、例えば、前記送受信器と前記鋼製部材との間に隙間が生じるような不具合の発生を防止し、前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を高精度で確実に算出することができる。

またこの発明の態様として、前記送受信器は、前記鋼製部材の機内側に取付けられ、前記機外に向けて前記音波を送信する送信器と、前記鋼製部材の機内側に取付けられ、前記機外で反射した前記反射波を受信する受信器とで別体構成されてもよい。
この発明により、施工中であっても、前記送信器と前記受信器とをより音波の送受信しやすい位置にそれぞれ容易に機内において位置調整することができる。

本発明により、本発明は、発進後であっても送受信器を取付けたり、位置調整したりして、シールド掘削機の機外における地中の未掘削領域までの距離を算出できる探査システム、シールド掘削機及び探査方法を提供することができる。

地中における泥土圧式シールド掘削機の概略縦断面図。 図１におけるＡ−Ａ矢視図。 探査システムの概略ブロック図。 探査システムによる未掘削領域までの距離の計測方法を説明する概略断面図。 探査システムによるチャンバー内の掘削土の伝播速度の計測方法を説明する説明図。 泥水加圧式シールド掘削機の概略縦断面図。 図６におけるＢ−Ｂ矢視図及び探査システムによる流体輸送管内の掘削土の伝播速度の計測方法を説明する概略図。

この発明の一実施形態を、図１乃至図５とともに説明する。
なお、図１は地中における泥土圧式シールド掘削機１の概略縦断面図を示し、図２は図１におけるＡ−Ａ矢視図を示し、図３は探査システム１００の概略ブロック図を示している。図４は探査システム１００による地山Ｘまでの距離の計測方法を説明する概略断面図を示し、図５は探査システム１００によるチャンバー４０内の掘削土の伝播速度Ｃ_Ｍの計測方法を説明する説明図を示している。

具体的には、図５（ａ）は探査システム１００によってチャンバー４０内の掘削土の伝播速度Ｃ_Ｍの計測する際のカッターヘッド１０（スポーク１３）の向きを破線で示す図１におけるＡ−Ａ矢視図である。また、図５（ｂ）は探査システム１００によってチャンバー４０内の掘削土の伝播速度Ｃ_Ｍの計測する際の図１のａ部拡大図を示している。
なお、図１において後述する前胴２０に対するカッターヘッド１０の側を前方Ｆとし、前胴２０に対する後胴３０の側を後方Ｂとしている。

図１，２に示す泥土圧式シールド掘削機１は、中折れ後胴押し方式の泥土圧式シールド掘削機である。泥土圧式シールド掘削機１は、ベントナイトなどの添加材を注入しながら地山Ｘを回転するカッターヘッド１０で切削し、切羽の土圧に対して泥土圧式シールド掘削機１の推進力や排土量等で土圧バランスをとりながら掘進する。泥土圧式シールド掘削機１は、前方Ｆから後方Ｂに向かって、カッターヘッド１０、前胴２０、後胴３０で構成され、側面視円形状である。

カッターヘッド１０は、径外側のリング部１１と、リング部１１と中央軸部１２とを径方向に結ぶ複数本のスポーク１３とで構成され、スポーク１３とリング部１１とに所定間隔を隔てて複数の切削ビット１４が設けられている。なお、複数の切削ビット１４は、スポーク１３においてカッターヘッド１０の中心からの位置が調整され、回転するカッターヘッド１０の全面を切削することができる。

さらに、中央軸部１２の前方Ｆにフィッシュテール１５が設けられている。このように構成されたカッターヘッド１０は、図示省略するが、カッターヘッド１０の前方Ｆに添加材を注入する注入口が設けられている。

前胴２０は、倒位の円筒状である鋼製のスキンプレート２１と、スキンプレート２１における前方Ｆの端部より後方Ｂに所定分入り込んだ位置に設けられた隔壁２２とで構成されている。なお、隔壁２２の前方Ｆであって、カッターヘッド１０の後方Ｂの空間にチャンバー４０を構成している。

隔壁２２の側面視中央には、カッターヘッド１０の中央軸部１２が貫通しており、その周囲にカッターヘッド１０を回転させるモータ２３が同芯状に複数配置されている。
また、隔壁２２の下方に接続され、後胴３０の後方まで延びるスクリューコンベア２４が設けられている。スクリューコンベア２４は、前方Ｆが隔壁２２を貫通し、前方Ｆから後方Ｂに向かって上方に傾斜している。スクリューコンベア２４は、前方Ｆの端部がチャンバー４０まで延びる軸付スクリュー２４１を内部に備えている。

また、スキンプレート２１の内側には、複数本の中折れジャッキ２５を備えている。
中折れジャッキ２５は、前方Ｆが隔壁２２の後方Ｂに軸支され、後方Ｂが後述する後胴３０の前方Ｆに軸支される態様で周方向に複数配置され、中折れジャッキ２５の伸縮量によって、後胴３０に対する前胴２０の向きを調整するためのジャッキである。
また、隔壁２２の上方には、開放することで機外となるチャンバー４０に通じ、密閉可能に封止するハッチ２７を備えている。

後胴３０は、内部でセグメントＳを組み付ける円筒状の鋼製部材であるスキンプレート３１の内部に、複数ピースに分割されたセグメントＳを組み付けるためのエレクター３２を前方Ｆに備えている。また、後胴３０は、スキンプレート３１の後方Ｂの内周面に、組み付けられたＳの外面との隙間を埋める周方向に連続するテールブラシ３３を前後方向に複数段設けている。

また、スキンプレート３１の内側には、複数本の推進ジャッキ３４を備えている。
推進ジャッキ３４は、後胴３０の内部で組み付けられたセグメントＳの前方Ｆの端面に押付けて、セグメントＳを反力として泥土圧式シールド掘削機１を前方Ｆに前進させるためのジャッキであり、周方向に所定間隔を隔てて複数配置している。なお、推進ジャッキ３４は、前胴２０に設けてもよい。

このように構成された泥土圧式シールド掘削機１の後方Ｂには、組み付けたセグメントＳの内部に、後続台車が設けられ、スクリューコンベア２４から排出された掘削土を搬出するズリ台車が走行する軌道等の設備が設けられる。また、組み付けたセグメントＳの真円度を確保するための形状保持装置や、換気設備など適宜の装置や設備が設けられてもよい。

このように構成された泥土圧式シールド掘削機１は、図示省略する注入口から切羽に向かって添加材を注入しながらカッターヘッド１０を回転させ、回転する切削ビット１４で地山Ｘを切削する。

切削ビット１４によって切削された掘削土は、チャンバー４０で攪拌され、チャンバー４０の内部まで延びる軸付スクリュー２４１によってスクリューコンベア２４から機内に取り込まれる。スクリューコンベア２４から排出された掘削土をズリ台車で坑道外に搬出する。

なお、スクリューコンベア２４から排出された掘削土の搬出は、ズリ台車だけでなく、スクリューコンベア２４の後方にベルトコンベアや、圧送管（排土管）に接続された圧送ポンプ等を設置して、ベルトコンベアや圧送管で搬出してもよい。

このようなカッターヘッド１０による地山Ｘの掘削に伴って推進ジャッキ３４を伸長制御し、組み付けられたセグメントＳを反力として、泥土圧式シールド掘削機１を前進させる。泥土圧式シールド掘削機１がセグメントＳのリング長分前進すると、カッターヘッド１０によるセグメントＳの切削を停止し、後胴３０の内部において、複数に分割されたピースをエレクター３２で組み付けてセグメントＳを完成させる。

泥土圧式シールド掘削機１は、このような施工を１サイクルとして繰り返して掘進する。なお、カッターヘッド１０による地山Ｘの掘削において、通常、切削ビット１４の軌跡（図１に示す軌跡ラインＬ参照）で切羽が切削される。しかしながら、地山Ｘの地質状態によっては、例えば、切削ビット１４の軌跡を越えて余分に掘削される。このように、切削ビット１４の軌跡を越えて余分に掘削されると、泥土圧式シールド掘削機１の上部などに、掘削に伴って緩んだ箇所や余掘り部分などの緩み部Ｘａが形成されることがある。

緩み部Ｘａが大きくなると、切羽が崩壊するおそれがあるため、密閉型である泥土圧式シールド掘削機１の機外に形成され、泥土圧式シールド掘削機１の機内から目視できない緩み部Ｘａの大きさを把握することは重要である。そこで、緩み部Ｘａを探査する探査システム１００について以下で説明する。

探査システム１００は、図３に示すように、ソーナーと呼ばれる複数の送受信器１０１、マルチプレクサ１０２、プリアンプ１０３、パルサーレシーバ１０４、及びパーソナルコンピュータ１０５（以下においてＰＣ１０５という）で構成されている。
マルチプレクサ１０２は、複数の送受信器１０１、プリアンプ１０３及びパルサーレシーバ１０４に接続される。

プリアンプ１０３は、マルチプレクサ１０２に接続されるとともに、パルサーレシーバ１０４に接続され、マルチプレクサ１０２から伝達された受信波信号Ｒを増幅してパルサーレシーバ１０４に伝達する。
パルサーレシーバ１０４は、マルチプレクサ１０２及びプリアンプ１０３に接続されるとともに、ＰＣ１０５に接続される。

さらに詳述すると、送受信器１０１（１０１ａ，１０１ｂ）は、図１及び図２に図示するように、スキンプレート２１及び隔壁２２に取付けられ、主としてパルス波形を示す音波（以下においてパルス波という）を送信する。また、送受信器１０１（１０１ａ，１０１ｂ）は、緩み部Ｘａと地山Ｘとの境界面Ｘｂ等で反射した反射波を受信するよう構成されている。

具体的には、送受信器１０１ａは、泥土圧式シールド掘削機１における隔壁２２の機内側上部に取付けられ、前方Ｆに向かってパルス波である送信波を送信する。また、送受信器１０１ａは、前方Ｆの地山Ｘやカッターヘッド１０のスポーク１３の裏面で反射したパルス波である反射波を受信する。

また、送受信器１０１ｂは、スキンプレート２１の内周面の上部に取付けられ、前胴２０の前方Ｆの上部に形成される緩み部Ｘａに向けてパルス波である送信波を送信する。また、送受信器１０１ｂは、緩み部Ｘａの外側の地山Ｘとの境界面Ｘｂで反射したパルス波である反射波を受信する。なお、送受信器１０１ｂは、図２に図示するように、周方向に所定間隔を隔てて複数設けている。

このように、隔壁２２やスキンプレート２１の内面に取付けられる送受信器１０１は、隔壁２２の機内側面や、スキンプレート２１の内周面に対して、隙間が空かないように密着させて取付けている。
そのため、送受信器１０１の取付面を、隔壁２２の機内側面やスキンプレート２１の内周面の形状に沿うように形成している。また、数百ｋＮ程度の反力が生じるように螺子止め可能な取付台（図示省略）やマグネット式の取付け治具（図示省略）で、隔壁２２やスキンプレート２１に対して送受信器１０１を取付ける。なお、隔壁２２の隔壁２２の機内側面やスキンプレート２１の内周面と送受信器１０１との間にジェル状のシート（図示省略）を介在させて取付けてもよい。

マルチプレクサ１０２は、接続された複数の送受信器１０１に対して、パルス超音波の送信波信号Ｔを伝達するとともに、送受信器１０１で受信されたパルス超音波の受信波信号Ｒをプリアンプ１０３に伝達するように構成されている。なお、マルチプレクサ１０２は、多重器、多重装置、多重化装置、合波器とも呼ばれる。

パルサーレシーバ１０４は、ＰＣ１０５に接続され、ＰＣ１０５の制御によって、送信波信号Ｔとしてのパルス波を発生させてマルチプレクサ１０２に伝達するように構成している。また、パルサーレシーバ１０４は、マルチプレクサ１０２から伝達され、プリアンプ１０３で増幅されたパルス波である受信波信号ＲをＰＣ１０５に伝達するように構成している。

ＰＣ１０５は、パルサーレシーバ１０４に対して出力した送信制御情報やパルサーレシーバ１０４から伝達された受信波信号Ｒ等に基づいて緩み部Ｘａの外側の地山Ｘの境界面Ｘｂまでの距離や掘削土の伝播速度を算出する演算器として機能する。

なお、探査システム１００のうち送受信器１０１は泥土圧式シールド掘削機１の機内に配置される。これに対し、マルチプレクサ１０２、プリアンプ１０３、及びパルサーレシーバ１０４は機内に配置されていても、坑道内に配置されてもよい。また、ＰＣ１０５は機内や坑道内のみならず、坑道外の管理室に配置されてもよい。

このように構成された探査システム１００は、ＰＣ１０５の送信制御により、パルサーレシーバ１０４がパルス波である送信波信号Ｔを発生させ、マルチプレクサ１０２に伝達する。パルサーレシーバ１０４から送信波信号Ｔを伝達されたマルチプレクサ１０２は、複数の送受信器１０１に対して送信波信号Ｔを伝達する。

送信波信号Ｔが伝達された送受信器１０１ａは、隔壁２２を介して前方Ｆに向けてパルス波である送信波を送信する。同様に、送信波信号Ｔが伝達された送受信器１０１ｂは、スキンプレート２１を介して前胴２０の機外に向けて送信波を送信する。

緩み部Ｘａとその外側の固結した地山Ｘとでは音響インピーダンスが異なる。そのため、送受信器１０１から送信された送信波は、緩み部Ｘａを通り、緩み部Ｘａと地山Ｘとの境界面Ｘｂで反射する。緩み部Ｘａと地山Ｘとの境界面Ｘｂで反射したパルス波である反射波を隔壁２２やスキンプレート２１を介して送受信器１０１で受信する。

送受信器１０１で受信した反射波を受信波信号Ｒとしてマルチプレクサ１０２に伝達し、マルチプレクサ１０２は伝達された受信波信号Ｒをプリアンプ１０３で増幅し、パルサーレシーバ１０４に伝達する。ＰＣ１０５は、パルサーレシーバ１０４は伝達された受信波信号Ｒに基づいて、緩み部Ｘａの長さを算出する。

具体的には、ＰＣ１０５は、図４に示すように、第１時間（ｔ）と、第２時間（通過時間ｔ_ｓ）と、伝播速度Ｃ_Ｍとに基づいて、スキンプレート２１や隔壁２２から地山Ｘまでの距離、つまり緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を算出する。

なお、第１時間（ｔ）はパルス波である送信波を送信してから反射波を受信するまでの時間である。第２時間（通過時間ｔ_ｓ）はパルス波（送信波及び反射波）がスキンプレート２１や隔壁２２を伝播する時間である。伝播速度Ｃ_Ｍはパルス波（送信波及び反射波）が掘削土を伝播する速度である。

詳述すると、数式１に示すように、パルス波である送信波を送信してから反射波を受信するまでの第１時間（ｔ）は、スキンプレート２１や隔壁２２をパルス波が伝達する第２時間（通過時間ｔ_ｓ）と緩み部Ｘａをパルス波が伝達する第３時間（通過時間ｔ_Ｍ）とで表すことができ、

となり、
緩み部Ｘａをパルス波が伝達する第３時間（通過時間ｔ_Ｍ）は、

となる。

ここで、緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）は、数式３で示すように、緩み部Ｘａにおける掘削土を伝播する伝播速度Ｃ_Ｍと、既知のスキンプレート２１や隔壁２２の厚さｌ_Ｓと、スキンプレート２１や隔壁２２を伝播する伝播速度ｃ_Ｓに基づいて、

して算出することができる。

なお、掘削土を伝播する伝播速度Ｃ_Ｍは、試掘等によって採取した施工箇所の土質に基づいて予め設定してもよいが、チャンバー４０内部の掘削土を伝播する伝播速度を用いてもよい。

具体的には、図５（ａ）に示すように、送受信器１０１ａの前方Ｆにスポーク１３が位置するカッターヘッド１０の向きで、図５（ｂ）に示すように、送受信器１０１ａから送信波を、隔壁２２を介して前方Ｆに送信する。隔壁２２を介して前方Ｆに送信された送信波はチャンバー４０の掘削土を伝達し、スポーク１３の裏面側で反射した反射波を送受信器１０１ａで受信する。

そして、数式１に示すように、パルス波である送信波を送信してから反射波を受信するまでの第１時間（ｔ）と隔壁２２をパルス波が伝達する第２時間（通過時間ｔ_ｓ）とに基づき、第３時間（通過時間ｔ_Ｍ）を算出する。第３時間（通過時間ｔ_Ｍ）はチャンバー４０内部の掘削土をパルス波が伝達する時間である。

そして、チャンバー４０内部の掘削土を伝播する伝播速度Ｃ_Ｍは、隔壁２２とスポーク１３との既知の間隔（区間長ｌ_Ｍ）と、既知の隔壁２２の厚さｌ_Ｓと、隔壁２２を伝播する伝播速度ｃ_Ｓに基づいて算出することができる。このように、チャンバー４０内部の掘削土を伝播する伝播速度Ｃ_Ｍを、緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を算出するために用いてもよい。

上述したように、泥土圧式シールド掘削機１の前胴２０におけるスキンプレート２１や隔壁２２に取付けられ、機外に向けてパルス波を送信するとともに、機外で反射した反射波を受信する送受信器１０１が設けられている。また、送受信器１０１における少なくとも受信波信号Ｒに基づいて、地中における緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を演算するＰＣ１０５が設けられている。

ＰＣ１０５が、第１時間（ｔ）と、通過時間ｔ_ｓと、パルス波が掘削土を伝播する伝播速度Ｃ_Ｍとに基づいて、泥土圧式シールド掘削機１の機外における地中の地山Ｘまでの距離を算出する。なお、第１時間（ｔ）はパルス波を送信してから反射波として受信するまでの時間であり、通過時間ｔ_ｓはパルス波がスキンプレート２１や隔壁２２を伝播する時間である。

つまり、ＰＣ１０５は、上述のパラメータによって、掘削に伴って緩んだ箇所や余掘り部分などの緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を算出でき、緩み部Ｘａの大きさを把握することができる。したがって、地山崩壊の兆候の有無を評価することができる。

また、送受信器１０１を泥土圧式シールド掘削機１の機内に取付けるため、発進後であっても、送受信器１０１の点検、交換などのメンテナンス、送受信器１０１の取付け位置の変更などに柔軟に対応することができる。

また、上記構成により、送受信器１０１による計測や、送受信器１０１の取付けに関して、特別な構造を要することなく、泥土圧式シールド掘削機１の機外における地中の地山Ｘまでの緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を算出することができる。なお、特別な構造としては、掘削土や地山Ｘに送受信器１０１を直接接触させるための窓や孔、あるいはそれらの止水構造、さらには、音波の伝達効率を向上するための、材質の異なる導波材をスキンプレート２１や隔壁２２に組込むことなどがあげられる。

また、音波としてパルス波を送受信するため、送受信器１０１でパルス波を送受信して、緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を精度よく算出することができる。
また、泥土圧式シールド掘削機１で掘削した掘削土における伝播速度Ｃ_Ｍを用いて算出するため、緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）をさらに精度よく算出することができる。

詳述すると、施工によって掘削された掘削土をパルス波が伝播する伝播速度Ｃ_Ｍに基づいて、緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を算出するため、予め設定された伝播速度に基づいて算出する場合に比べて精度よく算出することができる。

また、送受信器１０１ａを隔壁２２に取付け、前方Ｆに向かってパルス波を送信する構成である。ＰＣ１０５は、第３時間（通過時間ｔ_Ｍ）と、隔壁２２とスポーク１３との既知の間隔（区間長ｌ_Ｍ）とに基づいて伝播速度Ｃ_Ｍを算出する。なお、第３時間（通過時間ｔ_Ｍ）は、前胴２０の前方Ｆにおいて回転し、掘削するカッターヘッド１０と隔壁２２との間のチャンバー４０の内部に取り込まれた掘削土をパルス波が伝播する時間である。
そのため、機外の地山状況により近い、チャンバー４０の内の掘削土の伝播速度Ｃ_Ｍに基づいて、緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を算出でき、より高精度で算出することができる。

また、パルス波がスキンプレート２１や隔壁２２を伝播しやすくなるように送受信器１０１をスキンプレート２１や隔壁２２に対して密着させて取付けるため、緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を高精度で確実に算出することができる。

詳述すると、送受信器１０１をスキンプレート２１や隔壁２２に密着させて取付けることで、送受信器１０１で送受信するパルス波がスキンプレート２１や隔壁２２を伝播しやすくなる。そのため、例えば、送受信器１０１とスキンプレート２１や隔壁２２との間に隙間が生じるような不具合の発生を防止し、緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を高精度で確実に算出することができる。

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、この発明のシールド掘削機は泥土圧式シールド掘削機１に対応し、
以下同様に、
胴体部は前胴２０に対応し、
外殻はスキンプレート２１に対応し、
隔壁は隔壁２２に対応し、
鋼製部材はスキンプレート２１や隔壁２２に対応し、
送受信器は送受信器１０１に対応し、
受信情報は受信波信号Ｒに対応し、
掘削範囲は緩み部Ｘａに対応し、
演算器はパーソナルコンピュータ１０５（ＰＣ１０５）に対応し、
第１時間は第１時間（ｔ）に対応し、
第２時間は第２時間（通過時間ｔ_ｓ）に対応し、
伝播速度は伝播速度Ｃ_Ｍに対応し、
未掘削領域は地山Ｘに対応し、
探査システムは探査システム１００に対応し、
前方は前方Ｆに対応し、
カッター部はカッターヘッド１０に対応し、
チャンバーはチャンバー４０に対応し、
第３時間は第３時間（通過時間ｔ_Ｍ）に対応するが、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

例えば、上述の説明では、機外に向けてパルス波を送信する送信機能と、機外で反射した反射波を受信する受信機能とを備えた送受信器１０１を用いたが、スキンプレート２１や隔壁２２に取付けられ、機外に向けてパルス波を送信する送信器と、機外で反射した反射波を受信する受信器とで別体構成してもよい。

また、チャンバー４０の内部の掘削土をパルス波が伝播する伝播速度Ｃ_ＭをＰＣ１０５で算出したが、緩み部Ｘａの長さ（区間長ｌ_Ｍ）を算出するＰＣ１０５とは別に、チャンバー４０内部の掘削土をパルス波が伝播する伝播速度Ｃ_Ｍを算出するＰＣ（演算器）を設けてもよい。

また、上述の説明では、複数の送受信器１０１と、それぞれ別体構成したマルチプレクサ１０２、プリアンプ１０３、パルサーレシーバ１０４及びパーソナルコンピュータ１０５で探査システム１００を構成している。これに対し、探査システム１００のうちマルチプレクサ１０２、プリアンプ１０３、パルサーレシーバ１０４及びパーソナルコンピュータ１０５を一体構成してもよい。さらには、探査システム１００のうちマルチプレクサ１０２、プリアンプ１０３及びパルサーレシーバ１０４を一体構成してもよい。

上記泥土圧式シールド掘削機１は、泥土圧式のシールド掘削機であったが、図６及び図７に図示するように泥水加圧式の泥水加圧式シールド掘削機１ａであってもよい。
なお、図６は泥水加圧式シールド掘削機１ａの概略縦断面図を示し、図７（ａ）は図６におけるＢ−Ｂ矢視図を示し、図７（ｂ）は探査システム１００による流体輸送管６０内の掘削土の伝播速度Ｃ_Ｍの計測方法について説明する断面図を示している。

図６，７に示す泥水加圧式シールド掘削機１ａは、軟弱地盤である地山Ｘに対し、カッターヘッド１０で掘削した掘削土に水を混ぜ、圧力を作用させて切羽の崩壊を防止しながら掘進するシールド掘削機である。なお、泥水加圧式シールド掘削機１ａにおいて泥土圧式シールド掘削機１と同機能を果たす構成について同じ符号を付してその説明を省略する。

掘削土をスクリューコンベア２４で排土し、後方Ｂの軌道を走行するズリ台車等で掘削土を搬出する泥土圧式シールド掘削機１と異なり、泥水加圧式シールド掘削機１ａは、スクリューコンベア２４の代わりに、流体輸送管６０（図７（ｂ）参照）から泥水を切羽に送る送泥管２８と、掘削土を泥水とともにチャンバー４０から流体輸送管６０まで排出する排泥管２９とが備えられている。

泥水加圧式シールド掘削機１ａでは、上述の泥土圧式シールド掘削機１と同様に、隔壁２２とスキンプレート２１とに送受信器１０１を取付けて、緩み部Ｘａと地山Ｘとの境界面Ｘｂまでの距離、つまり緩み部Ｘａの大きさを検出することができる。

なお、チャンバー４０内においてスポーク１３の裏面で反射する反射波を用いて掘削土を伝播する伝播速度Ｃ_Ｍを算出した上述の泥土圧式シールド掘削機１に対し、泥水加圧式シールド掘削機１ａにおいて同様の方法で伝播する伝播速度Ｃ_Ｍを算出してもよい。

あるいは、図７（ｂ）に示すように、流体輸送管６０にパルス波を送信する送信器１０６とパルス波を受信する受信器１０７とを対向するように配置する。このように配置した送信器１０６から、流体輸送管６０を導通する泥水にパルス波を送信し、受信器１０７で受信して、流体輸送管６０で排出される泥水を伝播する伝播速度Ｃ_Ｍを算出してもよい。

もちろん、送受信器１０１を流体輸送管６０に取付けて流体輸送管６０における対向部分の内周面で反射する反射波を受信するように構成してもよい。さらには、泥土圧式シールド掘削機１におけるスクリューコンベア２４の後方に設置されたベルトコンベアや圧送管に、送信器１０６及び受信器１０７とを対向配置して搬出する掘削土を伝播する伝播速度Ｃ_Ｍを算出してもよい。
なお、泥土圧式シールド掘削機１や泥水加圧式シールド掘削機１ａ以外でも、密閉式であればＴＢＭ等であってもよい。

また、上述の泥土圧式シールド掘削機１のスキンプレート２１や隔壁２２に対して送受信器１０１を螺子止めやマグネット式の取付け治具などで取付けしたが、接着性のあるジェル状の取付け材を介在させて、密着させるように送受信器１０１を取付けてもよい。

１…泥土圧式シールド掘削機
１ａ…泥水加圧式シールド掘削機
１０…カッターヘッド
２０…前胴
２１…スキンプレート
２２…隔壁
４０…チャンバー
１００…探査システム
１０１…送受信器
１０５…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
Ｆ…前進側
Ｒ…受信波信号
Ｘ…地山
Ｘａ…緩み部
Ｃ_Ｍ…伝播速度
ｔ_Ｍ，ｔ_ｓ…通過時間

Claims (11)

1. シールド掘削機の胴体部において外殻や隔壁を構成する鋼製部材の機内側に取付けられ、機外に向けて音波を送信するとともに、前記機外で反射した反射波を受信する送受信器と、
   前記送受信器における少なくとも受信情報に基づいて、地中における掘削範囲を演算する演算器とが設けられ、
   該演算器が、
   前記音波を送信してから前記反射波を受信するまでの第１時間と、
   前記音波が前記鋼製部材を伝播する第２時間と、
   前記音波が掘削土を伝播する速度である伝播速度とに基づいて、
   前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を算出する
   探査システム。
2. 前記音波がパルス波である
   請求項１に記載の探査システム。
3. 前記伝播速度は、前記シールド掘削機で掘削した掘削土における前記伝播速度である
   請求項１又は２に記載の探査システム。
4. 前記送受信器は、前記隔壁に取付けられるとともに、前方に向かって前記音波を送信する構成とし、
   前記演算器は、
   前記胴体部の前方において回転し、掘削するカッター部と前記隔壁との間のチャンバー内部に取り込まれた前記掘削土を前記音波が伝播する第３時間と、前記カッター部と前記隔壁との距離とに基づいて前記伝播速度を算出する
   請求項３に記載の探査システム。
5. 前記送受信器で送受信する前記音波が前記鋼製部材を伝播しやすくなるように前記送受信器を前記鋼製部材の機内側に取付ける取付手段が設けられた
   請求項１乃至４のうちいずれかに記載の探査システム。
6. 前記送受信器は、
   前記鋼製部材の機内側に取付けられ、前記機外に向けて前記音波を送信する送信器と、
   前記鋼製部材の機内側に取付けられ、前記機外で反射した前記反射波を受信する受信器とで別体構成された
   請求項１乃至５のうちいずれかに記載の探査システム。
7. 請求項１乃至６のうちいずれかに記載の探査システムにおける前記送受信器が前記鋼製部材の機内側に取付けられた
   シールド掘削機。
8. シールド掘削機の胴体部において外殻や隔壁を構成する鋼製部材の機内側に取付けられた送受信器から機外に向けて音波を送信するとともに、前記機外で反射した反射波を受信し、
   前記音波を送信してから前記反射波を受信するまでの第１時間と、
   前記音波が前記鋼製部材を伝播する第２時間と、
   前記音波が掘削土を伝播する速度である伝播速度とに基づいて、
   前記シールド掘削機の前記機外における地中の未掘削領域までの距離を算出する
   探査方法。
9. 前記音波がパルス波である
   請求項８に記載の探査方法。
10. 前記伝播速度は、前記シールド掘削機で掘削した掘削土における前記伝播速度である
    請求項８又は９に記載の探査方法。
11. 前記隔壁に取付けられた前記送受信器から、前方に向かって前記音波を送信し、
    前記胴体部の前方において回転し、掘削するカッター部と前記隔壁との間のチャンバー内部に取り込まれた前記掘削土を前記音波が伝播する第３時間と、前記カッター部と前記隔壁との距離とに基づいて前記伝播速度を算出する
    請求項１０に記載の探査方法。

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