JP4446634B2

JP4446634B2 - 地山状況検出装置

Info

Publication number: JP4446634B2
Application number: JP2001261235A
Authority: JP
Inventors: 賢一板倉; 雅夫中田; 宏志山地
Original assignee: Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: JP2003066155A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉱山や土木の坑道、トンネル掘進において、切羽奥部の地山の状況を事前に把握するための地山状況検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉱山や土木の坑道、トンネル掘進では、切羽奥部の地山状況を事前に把握することが強く望まれている。そのために、切羽面から、しばしば回転削孔機や打撃式削岩機による削孔を行ない、削孔中の繰粉やコア、削孔機の機械量データ（回転削孔機のトルク、推力、削孔速度、回転数や、打撃式削岩機の打撃力、フィード圧、回転圧、削孔速度等）の変化から削孔中の地層の種類に関する情報を得ている。また、削孔したボアホールにＴＶカメラなどを挿入して、映像を通して地層の種類を確認する検層も行なわれることがある。
【０００３】
地山状況検出のための削孔は、通常、切羽面から、例えば、３０ｍ程度先まで行なわれる。このとき削孔用の中間ロッドとして、長さが３ｍ、直径が３０〜４０ｍｍの中空の中間ロッドが使用される。これらの中間ロッドは、削孔距離に合わせて、ジョイントにより順次接続して使用する。このため、削孔距離が切羽面から深くなると穴曲がりが発生することが多い。
【０００４】
一方、削孔機の機械量データの変化から地層の種類に関する情報を得て、地山状況を検出する場合、切羽面から浅い範囲では、地山とロッドの接触による打撃エネルギーの損失、ロッド間の接続部による打撃エネルギーの損失が少ないため、比較的正確に地層の種類を検出することが出来る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
削孔距離が長くなると、中間ロッドの接合部で発生する打撃エネルギーの損失が増加する。削孔に曲がりが発生し中間ロッドと削孔の壁面との接触による損失が発生する、ことなどにより、機械量データがビット先端の情報を反映しなくなり、地層の検出が正確に行なわれなくなる。
【０００６】
上記の事情に鑑み、本発明は、削孔途中の地層や削孔距離に係わりなく、地山状況を正確に検出することが出来る地山状況検出装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、掘削ロッド（２０）と、
該掘削ロッド（２０）の先端に固定された削孔用のビット（１９）と、
該ビット（１９）を地山に押し込む方向の衝撃力を発生させる打撃手段（１１）と、
水の侵入を防止できる間隙を前記掘削ロッド（２０）の外周との間に形成すべく該外周を覆うように取り付けられる円筒状のカバー（４７，４９）と、
前記間隙内に配置されて前記衝撃力の反射波を検出する検出手段（２２、２３）と、
前記間隙内に配置されて前記検出手段（２２、２３）によって検出された前記衝撃力の反射波を記録する記憶手段（２６）と、を設けて構成した。また、本発明の請求項２は、請求項１記載の発明において、前記円筒状のカバー（４７，４９）が前記ビット（１９）の外径よりも小さな外径であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項３は、請求項１又は２記載の発明において、前記検出手段（２２、２３）は、前記ビット（１９）に近接した位置に配置されている、構成とした。
【００１７】
また、本発明の請求項４は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記検出手段を、前記掘削ロッド（２０）の歪を検出する歪ゲージ（２２）で構成した。
【００１８】
また、本発明の請求項５は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記検出手段を、前記掘削ロッド（２０）の振動を検出する加速度計（２３）で構成した。
【００２１】
なお、括弧内の番号等は、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載の限定拘束されるものではない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の請求項１及び２によると、衝撃力の反射波を検出する検出手段を設けているので、掘削ロッドの振動を直接検出することが出来、従来の機械量データから地山状況を推測するもののように、間接的なデータから地山の状況を検出するものに比べ、より正確に地山状況を検出することが出来る。
【００２８】
また、本発明の請求項３によると、ビットに近接した位置で衝撃力の反射波を検出するので、より正確な地層の検出を行なうことが出来る。
【００３１】
また、本発明の請求項４又は５によると、掘削ロッドの歪もしくは振動を衝撃力の反射波として検出するようにしたので、簡単な構成の地山状況検出装置を得ることが出来、しかも、地山状況を正確に検出することが出来る。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１乃至図３は本発明の実施形態を示すもので、図１は、打撃式削岩機を用いた本発明による地山状況検出装置の構成図、図２は、図１における地山状況検出装置に使用する解析装置の構成図、図３は、地山状況による衝撃力の反射波を示す特性図である。
【００３５】
地山状況検出装置１０は、図１に示すように、坑道やトンネルを掘進する地山１の切羽面２から地山１に向けてボアホール３を削孔する。打撃手段１１は、載置台１２に固定されている。なお、載置台１２は、紙面の左右方向である矢印Ｘ方向と、紙面の前後方向（Ｙ方向）及び紙面の上下方向である矢印Ｚ方向に移動可能になっている。
【００３６】
前記打撃手段１１は、シャンクロッド１３と、図示しない駆動源を有している。この駆動源は、移動自在なピストン（図示せず）を有し、このピストンをシャンクロッド１３に衝突させることにより、、矢印Ｘ方向に間欠的な衝撃力を作用させるように構成されている。
【００３７】
掘削ロッド２０は、その先端（図１の紙面左側）から、後述する第１のアダプタロッド２１、第２のアダプタロッド２５、削孔深さに応じて順次接続される複数の中間ロッド１５で構成されている。第１のアダプタロッド２１と第２のアダプタロッド２５、第２のアダプタロッド２５と中間ロッド１５は、それぞれ図示しないスリーブで接続されている。また、隣接する中間ロッド１５は、互いにスリーブ１６を介して接続されている。
【００３８】
また、第１のアダプタロッド２１の後端面と第２のアダプタロッド２５の先端面、第２のアダプタロッド２５の後端面と中間ロッド１５の先端面、隣接する中間ロッド１５、１５の後端面と先端面は、それぞれ接触している。また、第１のアダプタロッド２１の先端には、図示しないスリーブを介して削孔用のビット１９が、第１のアダプタロッド２１に先端面に接触するように接続されている。
【００３９】
前記第１のアダプタロッド２１は、中空のロッドで形成されている。この第１のアダプタロッド２１には、複数の歪ゲージ２２と、加速度計２３が配置されている。なお、歪ゲージ２２と加速度計２３は、必ずしも両方を同時に配置する必要は無く、いずれか一方のみを設けるようにしてもよい。
【００４０】
前記第２のアダプタロッド２５は、中空のロッドで形成されている。この第２のアダプタロッド２５には、前記歪ゲージ２２や加速度計２３の出力を増幅する増幅回路（図示せず）と、増幅された出力を変調する変調回路（図示せず）と、変調された反射波の波形データを記録するＩＣメモリレコーダ（図示せず）を備えている。そして、ＩＣメモリレコーダには、ＩＣメモリ２６が着脱自在に支持されている。
【００４１】
なお、前記第１のアダプタロッド２１と第２のアダプタロッド２５は、前記中間ロッド１５と同じ外径を有し、長さは数１０〜５０ｃｍ程度に形成されている。また、第１のアダプタロッド２１と第２のアダプタロッド２５は、一体で構成してもよい。
【００４２】
また、前記中間ロッド１５と第１及び第２のアダプタロッド２１、２５の軸心部の穴は連通しており、図示しない供給装置から供給される削孔水を、当該連通する孔を介してビット１９の先端から流出させ、ビット１９で破壊された地山の破片を切羽面２から排出する。
【００４３】
解析装置３０は、図２に示すように、前記ＩＣメモリ２６の記憶内容を読み出すＩＣメモリレコーダ３１と、復調回路３２と、ＡＤコンバータ３３及びパソコン３４を備えている。
【００４４】
このような構成で、載置台１２を矢印Ｘ方向に移動させ、打撃手段１１を待機位置へ移動させた状態で、それぞれスリーブ１６を介して打撃手段１１側から、中間ロッド１５、第２のアダプタロッド２５、第１のアダプタロッド２１及びビット１９を接続し、掘削ロッド２０を形成する。このとき、ビット１９の後端面と第１のアダプタロッド２１の先端面、第１のアダプタロッド２１の後端面と第２のアダプタロッド２５の先端面、第２のアダプタロッド２５の後端面と中間ロッド１５の先端面は、それぞれ接触している。
【００４５】
次いで、スリーブ１６を介してビット１９を一体に接続した掘削ロッド２０を、図示しない支持台で、切羽面２に対して所要の位置に支持し、ビット１９の先端を地山１の切羽面２に当接させる。載置台１２を移動させ、前記支持台に支持された掘削ロッド２０の後端（中間ロッド１５の後端面）に、打撃手段１１のシャンクロッド１３の先端をスリーブ１６を介して接続する。
【００４６】
そして、載置台１２を切羽２側に向けて移動させるようにして、打撃手段１１のシャンクロッド１３を介して掘削ロッド２０を切羽２側に押し、ビット１９を切羽２に所要の力で押し付ける。
【００４７】
この状態で、打撃手段１１を作動させ、打撃手段１１のピストンをシャンクロッド１３の後端に衝突させて衝撃力を与える。すると、この衝撃力によってシャンクロッド１３に生じた応力波が、中間ロッド１５、第２のアダプタロッド２５、第１のアダプタロッド２１を伝播してビット１９に伝わり、ビット１９の前方の地山をそのエネルギにより破壊する。即ち、この実施形態では、打撃手段１１が削孔用の駆動源を兼ねている。
【００４８】
このとき、図示しない供給装置から第２及び第１のアダプタロッド２５、２１、中間ロッド１５の軸心の連通する孔を通してビット１９の先端部からボアホール３内に削孔水を供給する。すると、ビット１９により破壊された地山の破片が削孔水により流されて、ボアホール３の内周面と第１及び第２のアダプタロッド２１、２５、スリーブ１６及び中間ロッド１５の外周面との間を通り、切羽面２から排出される。
【００４９】
ビット１９に伝播された応力波のエネルギは、その全てが地山の破壊に消費されるのではなく、一部は地山内へ拡散し、一部は反射波として再びビット１９へと戻ってくる。そして、ビット１９へ戻ってきた反射波は、第１のアダプタロッド２１、第２のアダプタロッド２５、中間ロッド１５及びシャンクロッド１３へ伝播され、第１のアダプタロッド２１、第２のアダプタロッド２５、中間ロッド１５及びシャンクロッド１３の歪や振動として消費される。このとき、第１のアダプタロッド２１の歪や振動の大きさを、歪ゲージ２２や加速度計２３で電圧の変化として検出し、その電圧の変化を変調してＩＣメモリ２６に記憶する。
【００５０】
ここで、切羽２からの深さＬが数〜数１０ｍｍごとに、地山１の内部の地山状況を検出する場合には、別途、図示しない計測手段（リニアエンコーダ等）で打撃手段１１（載置台１２）の位置、即ち、切羽面２からのボアホール３の深さＬを検出し、記録しておく。
【００５１】
削孔が進行してボアホール３の深さＬが、接続された掘削ロッド２０（第１のアダプタロッド２１、第２のアダプタロッド２５及び中間ロッド１５）の長さ程度に深くなったら、中間ロッド１５の後端からシャンクロッド１３を外して、打撃手段１１を後退させ、中間ロッド１５の後端に１本の中間ロッド１５を接続する。そして、その後端にシャンクロッド１３を接続する。同様に、削孔の進行にしたがって、順次、中間ロッド１５を継ぎ足して所要の深さまで削孔を行なう。
【００５２】
削孔距離が長くなり孔曲がりが発生すると、中間ロッド１５やスリーブ１６の外周面とボアホール３の内周面の接触が発生することがある。すると、打撃手段１１のピストンをシャンクロッド１３に衝突させた衝撃力で、シャンクロッド１３に発生した応力波が、中間ロッド１５、第２及び第１のアダプタロッド２５、２１を介してビット１９まで伝播される間に、中間ロッド１５が接触するボアホール３の内周面に吸収されてビット１９に伝わる応力波が減衰する。また、中間ロッド１５の接続個所が多くなり、接続部で発生する応力波の減衰も大きくなる。
【００５３】
従って、地山１内部の地山を破壊する応力波も減衰し、その応力波に対応する地山からの反射波も小さくなるが、検出手段としての歪ゲージ２２や加速度計２３を備えた第１のアダプタロッド２１がビット１９に隣接しているので、地層の途中に破砕帯等があっても、あるいは削孔距離が長くなっても、地山に伝えられた応力波と、その応力波に対応する地山からの反射波を、確実に検出することが出来る。
【００５４】
所要の深さまで削孔すると、ボアホール３からロッド１５、スリーブ１６、第２及び第１のアダプタロッド２５、２１及びビット１９を抜き出す。そして、第２のアダプタロッド２５に配置されたＩＣメモリ２６を取り出し、このＩＣメモリ２６を、解析装置３０のＩＣメモリレコーダ３１に取り付ける。また、パソコン３４には、別途記録された位置データを入力しておく。
【００５５】
解析装置３０は、ＩＣメモリレコーダ３１でＩＣメモリ２６に記憶されたデータを読み出し、復調回路３２でＩＣメモリ２６に記憶された信号を復調して、ＡＤコンバータ３３を通してパソコン３４内にデータを取りこむ。パソコン３４は、ＩＣメモリ２６からの反射波のデータを解析し、反射波の波形を抽出すると共に、その反射波の波形から地山状況を特定する。
【００５６】
図３は、実験により得られた各種の岩盤等からの反射波の波形を示すもので、（Ａ）、（Ｂ）は、凝灰岩、（Ｃ）は、花崗岩、（Ｄ）は、モルタル、（Ｅ）は、軟鋼からの反射波の波形を示す。なお、図３において、Ｉは、衝撃力により発生しビット１９に伝達される応力波の波形であり、Ｒは、ビット１９を介して伝達される岩盤からの反射波の波形である。
【００５７】
従って、削孔中に検出された反射波の波形と、実験により得られた反射波の波形とを比較することにより、ＩＣメモリ２６から読み出された反射波の波形がどのような種類の岩盤からの反射波であるかを特定することが出来る。即ち、地山状況を検出することが出来る。
【００５８】
別途パソコン３４に入力された切羽２からビット１９までの距離Ｌと、反射波の波形を解析することにより得られた地山状況を組み合わせることにより、切羽２から先にある地山１の内部の状況を正確に検出することが出来る。
【００５９】
同様の解析を、切羽２の複数個所で行ない、それらの解析結果を組み合わせることで、切羽２から先にある地山１の内部の状況を正確に検出することが出来る。また、これらの解析結果を総合して、パソコン３４のディスプレイ上や紙面に表示することにより、地山１の内部の地山状況を可視化することが出来る。
【００６０】
上記実施形態においては、打撃式削岩機を用いた場合について説明したが、回転式削孔機を用いる場合には、一定の距離（例えば、数ｍｍ〜数１０ｍｍ）ごとに削孔作業を停止し、削孔用のビット１９を介して地山に衝撃力を加え、その地山からの反射波を検出することにより、地山状況を検出するるようにすればよい。
【００６１】
また、上記実施形態においては、掘削ロッド２０に衝撃力の反射波を検出する検出手段（歪ゲージ２２、加速度計２３）と、検出結果を記録する記憶手段（ＩＣメモリ２６）を配置し、オフラインで地山状況を解析する場合について説明したが、前記記憶手段を掘削ロッド２０の外部に設置して、前記検出手段と記憶手段とを、有線もしくは無線の通信回線を通して接続し、検出結果を外部で記録すると共に解析するように構成し、地山状況をリアルタイムで解析するするようにしてもよい。
【００６２】
図４は、本発明の他の実施の形態を示すもので、地山検出装置の機構部を示す構成図である。なお、この実施の形態では、前記第１のアダプタロッドと第２のアダプタロッドを一体に構成している。
【００６３】
同図において、図１と同じものは同じ符号をつけて示してある。第３のアダプタロッド３６の先端（図４の左側）には、ねじ３６ａが形成され、このねじ３６ａにビット１９が螺合して固定されている。また、第３のアダプタロッド３６の軸部には、その先端側より、歪ゲージ２２、該歪ゲージ２２の出力を増幅する増幅回路と、増幅された出力を変調する変調回路と、変調された反射波の波形を記録するＩＣメモリーレコーダを構成する複数枚のプリント基板３７と、該プリント基板に３７電力を供給する電池３９を保持する電池ホルダ４０が配置されている。
【００６４】
なお、前記各プリント基板３７と、電池ホルダ４０は、防振用発泡スポンジ等の防振材で形成されたシート４１を介して第３のアダプタロッド３６に取付けられ、第３のアダプタロッド３６の振動により故障しないように保護されている。
【００６５】
前記第３のアダプタロッド３６には、前記ビット１９の取付け位置と歪ゲージ２２の取付け位置の間、前記プリント基板３７の取付け位置と電池ホルダ４０の取付け位置の間、及び、電池ホルダ４０の取付け位置の後端側（図４の左側）に、それぞれフランジ４２、４３、４５が設けられている。
【００６６】
これらのフランジ４２とフランジ４３の外周には、ビット１９で形成されるボアホール３の内径より細くなるように形成された円筒状のカバー４７が、Ｏリング４６を介して歪ゲージ２２及びプリント基板３７を覆うように装着されている。即ち、カバー４７は、歪ゲージ２２とプリント基板３７を、ボアホール３の内周面との接触から保護すると共に、Ｏリング４６との接触により削孔水の侵入を防止し、歪ゲージ２２とプリント基板３７を、削孔水からも保護するようになっている。
【００６７】
また、フランジ４３とフランジ４５の外周には、ビット１９で形成されるボアホール３の内径より細くなるように形成された円筒状のカバー４９が、Ｏリング４６を介して電池ホルダ４０を覆うように装着されている。即ち、カバー４９は、電池ホルダ４０を、ボアホール３の内周面との接触から保護すると共に、Ｏリング４６との接触により削孔水の侵入を防止し、電池ホルダ４０を、削孔水からも保護するようになっている。
【００６８】
そして、これらのカバー４７、４９は、フランジ４５に着脱可能に取付けられた後カバー５０で固定される。また、カバー４７と第３のアダプタロッド３６の間には、例えば防振用発泡スポンジ等で形成された保護部材５１が充填され、歪ゲージ２２やプリント基板３７を保護するようになっている。
【００６９】
このような構成としても、前記実施形態と同様に、中間ロッド１５の先端に第３のアダプタロッド３６を取付け、第３のアダプタロッド３６の先端に取付けたビット１９を地山１に押しつけて、中間ロッド１５の後端に加えられた衝撃力の応力波を、第３のアダプタロッド３６を介してビット１９に伝達し、ビット１９により地山１に衝撃力を与える。この衝撃に対する地山１の反射波は、ビットを介して第３のアダプタロッド３６に伝達される。
【００７０】
従って、前記実施形態と同様に、ビット１９に近接した位置で、地山１からの反射波を検出することが出来るので、前記実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】打撃式削岩機を用いた本発明による地山状況検出装置の機構部の構成図。
【図２】図１における地山状況検出装置の解析装置の構成図。
【図３】岩盤の種類による衝撃の入射波と反射波の関係を示す特性図。
【図４】打撃式削岩機を用いた本発明による地山状況検出装置の他の実施の形態を示す機構部の構成図。
【符号の説明】
３…ボアホール
１１…打撃手段
１９…ビット
２０…掘削ロッド
２１…掘削ロッド（第１のアダプタロッド）
２２…検出手段（歪ゲージ）
２３…検出手段（加速度計）
２５…掘削ロッド（第２のアダプタロッド）
２６…記憶手段（ＩＣメモリ）
３０…解析装置
３６…掘削ロッド（第３のアダプタロッド）

Claims

掘削ロッドと、
該掘削ロッドの先端に固定された削孔用のビットと、
該ビットを地山に押し込む方向の衝撃力を発生させる打撃手段と、
水の侵入を防止できる間隙を前記掘削ロッドの外周との間に形成すべく該外周を覆うように取り付けられる円筒状のカバーと、
前記間隙内に配置されて前記衝撃力の反射波を検出する検出手段と、
前記間隙内に配置されて前記検出手段によって検出された衝撃力の反射波を記録する記憶手段と、
を設けたことを特徴とする地山状況検出装置。
前記円筒状のカバーは、前記ビットの外径よりも小さな外径である、
ことを特徴とする請求項１に記載の地山状況検出装置。
前記検出手段は、前記ビットに近接した位置に配置されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の地山状況検出装置。
前記検出手段は、前記掘削ロッドの歪を検出する歪ゲージである、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の地山状況検出装置。
前記検出手段は、前記掘削ロッドの振動を検出する加速度計である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の地山状況検出装置。