JP2638734B2 - シールド掘削機周囲の空隙検出方法及び装置 - Google Patents

シールド掘削機周囲の空隙検出方法及び装置

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JP2638734B2
JP2638734B2 JP5149615A JP14961593A JP2638734B2 JP 2638734 B2 JP2638734 B2 JP 2638734B2 JP 5149615 A JP5149615 A JP 5149615A JP 14961593 A JP14961593 A JP 14961593A JP 2638734 B2 JP2638734 B2 JP 2638734B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シールド掘削機周囲の
空隙検出方法及び装置に関し、とくに掘削作業中にシー
ルド掘削機周囲における地盤内の空隙を検出する方法及
び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】シールド掘削機が掘進する際に、切羽部
分で地盤の崩落が発生し掘削機のスキンプレートと地山
と間に空隙の生ずることがある。この空隙をそのまま放
置すれば、地盤沈下や陥没といった事態を引き起こすお
それがある。この事態を未然に防ぐため、シールド掘削
機周囲の空隙を検出する従来技術として、スキンプレー
ト外周の適当部位例えばカッタヘッド近傍に電極を設け
る通電電極式検知装置があるものの、多くの場合この様
な検知装置は設けられていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の通
電電極式検知装置には、土質状況によっては空隙の有無
の判別が困難な場合があり、たとえ空隙が検出された場
合にも空隙の大きさを殆ど把握できない等の欠点があっ
た。
【0004】従って、本発明の目的は、掘削作業中にシ
ールド掘削機周囲の地盤空隙の大きさ及び/又は形状を
検出する方法及び装置を提供するにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】図1を参照するに、本発
明によるシールド掘削機周囲の空隙検出方法は、シール
ド掘削機1のスキンプレート2b等の外周壁体2の所定位
置へ超音波送受波器6を揺動自在に取付け、前記所定位
置から送出された超音波が前記外周壁体2に対向する地
盤表面14で反射して前記所定位置まで戻るに要する超音
波往復時間を前記超音波送受波器6の利用により計測
し、前記超音波送受波器6揺動により該送受波器を頂
点とする円錐状空間内を超音波走査し、前記外周壁体2
の所定位置から前記円錐状空間と前記対向地盤表面14
の交差面までの距離を前記超音波往復時間から計測して
なるものである。図1における外周壁体2はシールド掘
削機1のスキンプレート2bであるが、図2の実施例に示
すようにカッタフェース2aを外周壁体2としてもよい。
【0006】好ましくは、前記超音波送受波器6の取付
けを、先端に超音波送受波器6が揺動自在に取付けられ
た押出し管5をシールド掘削機1の外周壁体2に取付け
られた両端開放の案内管4内への押出しによる案内管4
外方端の所定位置への超音波送受波器6の取付けによっ
て行う。
【0007】さらに好ましくは、案内管4をシールド掘
削機1の外周壁体2へ水密に固定し、押出し管5を案内
管4へ水密に取付ける。
【0008】本発明によるシールド掘削機周囲の空隙検
出装置は、電気信号と超音波とを相互変換する超音波送
受波器6をシールド掘削機1の外周壁体2の所定位置へ
揺動自在に取付ける取付け手段前記取付け手段を介し
て前記超音波送受波器6を揺動させ且つ該送受波器6を
頂点とする円錐状空間内を超音波走査する首振り・旋回
機構27(図5)及び前記送受波器6から送出される超
音波が反射されて前記送受波器6に入射するまでに要す
る超音波往復時間に基づき前記外周壁体2の所定位置か
ら前記円錐状空間と交差する対向面までの距離を計測す
る信号処理回路25(図5)を備えてなるものである。
【0009】好ましくは、前記取付け手段に、前記外周
壁体へ固定された両端開放の案内管4、及び前記超音波
送受波器6が先端に揺動自在に取付けられ且つ前記案内
管4内へ押出され前記案内管4の所定位置へ前記超音波
送受波器6を取付ける押出し管5を設ける。さらに好ま
しくは、前記案内管4の前記シールド掘削機外周壁体2
への固定を水密とし、前記押出し管5を前記案内管4へ
水密に取付ける。
【0010】
【作用】図1に示す実施例において、例えばシールド掘
削機1の外周壁体2へ両端開放の案内管4を固定し、超
音波送受波器6が揺動自在に取付けられた押出し管5を
前記案内管4内へ押出すことにより、外周壁体2の所定
位置に超音波送受波器6を揺動自在に取付ける。この超
音波送受波器6から送出された超音波は、泥水13や空気
等の空隙内物質と地盤との境界をなす地盤表面14で反射
され前記超音波送受波器6へ入射するので、送出されて
から入射するまでの時間として超音波往復時間を計測す
ることができる。超音波送受波器6を揺動することによ
り、異なる方向における前記超音波往復時間を測定でき
る。超音波送受波器6はシールド掘削機1の外周壁体2
の所定位置へ取付けられており、シールド掘削機1と超
音波送受波器6との間の位置関係は明らかであり、さら
に泥水13又は空気中の超音波の伝播速度は既知であるの
で、前記超音波往復時間から前記シールド掘削機1又は
その外周壁体2と地盤表面14との間の間隔を求めること
ができる。前記外周壁体2とそれに対向する地盤表面14
との間に一定以上の間隔があることは、シールド掘削機
1の外周における空隙12の存在を示す。
【0011】さらに超音波送受波器6を、図3に示すよ
うに押出し管5の長手方向軸線22回りの矢印Rの様に旋
回させ且つ枢支軸21の回りに矢印Sの様に首振りさせる
ならば、超音波を図1の円錐状の超音波走査域16で走査
するように送出し且つ反射させ、前記空隙の大きさを三
次元的に測定することができる。この測定は、超音波の
伝播速度と空隙における超音波往復時間とによって当該
空隙の大きさを測定するものであるから、シールド掘削
機1の音速より著しく遅い掘進作業中の隣接地盤空隙測
定が可能であり、しかも空隙の形状・大きさの測定値が
シールド掘削機1の掘削速度に影響されることがない。
前記空隙の大きさを測定すれば、シールド掘削機1の外
周壁体2の形状は既知であるので、地盤表面14の形状を
定めることも可能になる。
【0012】図4は、案内管4を図2の様にシールド掘
削機1の長手方向軸線29と平行に前向きに配置し、掘削
機1のカッタフェース2aと対向する地盤表面14の形状を
測定した結果の一例を示す。
【0013】こうして、本発明の目的である「掘削作業
中にシールド掘削機周囲の地盤空隙の大きさ及び/又は
形状を検出する方法及び装置の提供」を達成することが
できる。
【0014】
【実施例】図1は、泥水シールド方式の場合にシールド
掘削機1のグラウト注入管を案内管4として使用し、超
音波送受波器6をカッタフェース2aの切羽に望ませ、シ
ールド掘進の休止時に切羽付近の地山10の崩落として例
示される地盤空隙12の測定を行った実施例を示す。図
中、記号11は地表を示す。図2は、グラウト注入管に替
えて前方検知用水平ボーリングパイプ8を案内管4とし
て用い、図1と同様な測定をした実施例の断面図であ
る。シールド掘削機1の外周壁へ水密に固定されたグラ
ウト注入管又は水平ボーリングパイプのプラグを開け、
押出し管5により超音波送受波器6を切羽に望む所定位
置へ取付ける。図示例では、案内管4と押出し管5との
間にゴムシール7を差込み、シールド掘削機1の内外の
間の水密な封止を確保している。
【0015】超音波送受波器6を揺動自在に保持する機
構の要部の一例を図3に示す。押出し管5の先端部に油
23が充填された冠状のステンレス容器5aを取付け、その
中に超音波送受波器6を配置する。ただし、本発明は図
3の超音波送受波器揺動機構の使用を必須とするもので
はなく、空隙12の大きさを異なる向きにおいて測定でき
るものであれば足りる。超音波送受波器6を、押出し管
5(図1)の長手方向軸線22の回りに旋回自在のロッド
(図示せず)の先端に設けた枢支軸21に枢支する。図5
を参照するに、超音波送受波器6は超音波発振器24及び
信号処理回路25と共に超音波センサー9を形成し、さら
に超音波送受波器6の向きは首振り・旋回機構27及び方
向制御回路28からなる向き制御手段26によって制御され
る。超音波センサー9の入出力及び向き制御手段26の動
作を、例えばパーソナル・コンピュータ等のコンピュー
タ30によって制御することができる。必要に応じ、図1
又は図2の空隙12の形状その他関連情報をディスプレー
31に表示するか又はプリンタ32によって印刷することが
できる。さらに、これらの情報を適当な記憶装置(図示
せず)に記憶させることも可能である。
【0016】超音波センサ9に関連する信号処理の順序
を図6に示す。図6(a)は、押出し管5に取付けた超音波
送受波器6を首振り・旋回手段により揺動させ、指向角
αを走査範囲θに亘り変化させた時の反射超音波入射信
号に応ずる電圧信号の一例である。横軸は、図3に示す
超音波送出の指向角αである。この電圧信号を整流した
ものの波形を図6(b)に示す。一定のしきい値Ls以上のも
のを地盤表面14からの反射を表すものとするが、シール
ド掘削機1の掘進中における切羽部の泥水13中での反射
超音波の判別は必ずしも容易ではない。浮遊物からの反
射の影響を避けるため、図6(b)の電圧を複数回測定して
それらの平均を取ったものが図6(c)である。本発明者
は、地山崩落等の地盤空隙の場合には地盤表面14からの
反射波が常に高いレベルにあってこの複数測定値の平均
処理が雑音除去に有効であることを見出した。超音波送
受波器6の特性及びその取付け位置を考慮して超音波送
受波器6における受信信号の物理的な有効範囲を図6(d)
のように設定する。有効範囲内における波形の最大値を
サーチし、その最大値に対応する超音波往復時間Tmを図
6(e)のように検出する。図6(f)は、泥水13中の音速vと
さきに求めた超音波往復時間Tmとを用いて超音波送受波
器6と地盤表面14との間の間隔を算出する手法を示す。
【0017】泥水13中の音速vは、泥水チャンバー(図
示せず)から採取した試験用泥水中に1対のキャリブレ
ーション用超音波送受波器6を所定距離だけ隔てて対向
配置し、超音波がその距離だけ伝播するに要する時間を
測定し、音速v=距離/伝播時間として実測により求め
てもよい。
【0018】図6の処理により、地盤表面14からの反射
信号と雑音との判別を容易に行えるようになる。つま
り、地盤表面14の反射信号のレベルが雑音よりわずかで
も大きければ、超音波往復時間Tm及びその時間に対応す
る距離を計算できるので、見かけのS/N比が向上する
ことになる。本発明者は、さらに前記処理をモジュール
化した回路板、即ち拡張ユニットボードを製作しこれを
コンピュータに装着することにより測定値の処理の規格
化と高速化を実現した。
【0019】以上の説明において、泥水式シールドを用
いたが、他の方式のシールド掘削、例えば土圧式シール
ド掘削にも本発明を適用することができる。
【0020】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のシ
ールド掘削機周囲の空隙検出方法及び装置は、掘削作業
時に超音波を用いて切羽部分又はその他の部分における
地山崩落等を検出するので、地盤沈下や陥没を防止し安
全性を著しく向上させる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】は、本発明の一実施例の図式的説明図である。
【図2】は、他の実施例の説明図である。
【図3】は、超音波送受波器の取付け機構の説明図であ
る。
【図4】は、地盤表面形状の検出結果の一例を示す図で
ある。
【図5】は、超音波センサの構成を示すブロック図であ
る。
【図6】は、超音波センサからの信号の処理を示す説明
図である。
【符号の説明】
1 シールド掘削機 2 外周壁体
2a カッタフェース 2b スキンプレート 4 案内管
5 押出し管 5a ステンレス容器 6 超音波送受波器
7 ゴムシール 8 水平ボーリングパイプ 9 超音波センサ
10 地山 11 地表 12 空隙
13 泥水 14 地盤表面 16 超音波走査域
21 枢支軸 22 長手方向軸線 23 油
24 超音波発振器 25 信号処理回路 26 向き制御手段
27 首振り・旋回機構 28 方向制御回路 29 シールド掘削機の中心軸 30 コンピュータ 31 ディスプレー
32 プリンタ。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シールド掘削機の外周壁体の所定位置へ超
    音波送受波器を揺動自在に取付け、前記所定位置から送
    出された超音波が前記外周壁体に対向する地盤表面で反
    射して前記所定位置まで戻るに要する超音波往復時間を
    前記超音波送受波器の利用により計測し、前記超音波送
    受波器揺動により該送受波器を頂点とする円錐状空間
    内を超音波走査し、前記外周壁体の所定位置から前記円
    錐状空間と前記対向地盤表面との交差面までの距離を前
    記超音波往復時間から計測してなるシールド掘削機周囲
    の空隙検出方法。
  2. 【請求項2】請求項1による空隙検出方法において、前
    記外周壁体への超音波送受波器の取付けを、先端に超音
    波送受波器が揺動自在に取付けられた押出し管を前記外
    周壁体に固定された両端開放の案内管内へ押出して案内
    管外方端の所定位置に超音波送受波器を取付けることに
    より行ってなるシールド掘削機周囲の空隙検出方法。
  3. 【請求項3】請求項2による空隙検出方法において、前
    記案内管の外面を前記シールド掘削機の外周壁体へ水密
    に固定し、前記押出し管を前記案内管へ水密に取付けて
    なるシールド掘削機周囲の空隙検出方法。
  4. 【請求項4】シールド掘削機の外周壁体の所定位置へ超
    音波送受波器を揺動自在に取付ける取付け手段前記取
    付け手段を介して前記超音波送受波器を揺動させ且つ該
    送受波器を頂点とする円錐状空間内を超音波走査する
    振り・旋回機構及び前記送受波器から送出される超音
    波が反射されて前記送受波器に入射するまでに要する超
    音波往復時間に基づき前記外周壁体の所定位置から前記
    円錐状空間と交差する対向面までの距離を計測する信号
    処理回路を備えてなるシールド掘削機周囲の空隙検出装
    置。
  5. 【請求項5】請求項4による空隙検出装置において、前
    記取付け手段に、前記シールド掘削機の外周壁体に固定
    された両端開放の案内管、及び先端に超音波送受波器が
    揺動自在に取付けられ且つ前記案内管内へ押出されて案
    内管外方端の所定位置に超音波送受波器を取付ける押出
    し管を設けてなるシールド掘削機周囲の空隙検出装置。
  6. 【請求項6】請求項5による空隙検出装置において、前
    記案内管の前記シールド掘削機の外周壁体への固定を水
    密とし、前記押出し管の前記案内管への取付けを水密に
    してなるシールド掘削機周囲の空隙検出装置。
JP5149615A 1993-06-21 1993-06-21 シールド掘削機周囲の空隙検出方法及び装置 Expired - Lifetime JP2638734B2 (ja)

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