JP5501818B2 - トンネル切羽前方探査装置 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル切羽前方探査装置に関するものである。

トンネル掘削では切羽前方の地質状況の把握がきわめて重要である。
前方に破砕帯などが存在することを知らずに発破で切羽を爆破した場合に、急激な出水が発生し、トンネルが水没したり岩盤が崩壊したりする、という惨事を引き起こす可能性があるからである。
そのためにシールドマシン、あるいはトンネルボーリングマシンを使用する掘削方法では特許文献１に示すような技術が開発されている。
一方、シールドマシンなどを用いず、爆破によって掘進する場合には、切羽から水抜きボーリングを行う方法、あるいはトンネルの掘削位置に沿って地表から地震探査や比抵抗探査を行う方法が採用されている。

特許３８４１４８３号公報

前記した従来のトンネル切羽前方探査装置にあっては、次のような問題点がある。
＜１＞切羽から水抜きボーリングを行う方法ではその実施時期の決定方法があいまいなので、補助工法の実施時期を逃してしまう可能性がある。さらに、ボーリングを利用した検層は、ボーリング孔近傍のみを評価できるのみで、三次元的な地質評価ができない。
＜２＞トンネルの掘削位置に沿って地表から地震探査や比抵抗探査を行う方法は、探査データが十分であるとは言い難い。特に、土被りが数百メートルから千メートルを超えるような場合は、実際の地質状況を正確に捉えることが難しい。
＜３＞特許文献１記載の発明はシールドマシンやトンネルボーリングマシンのように切羽に押し付けた巨大なカッターフェースを備えた装置において、そのカッターフェースにアンテナを取り付け、このアンテナからの電磁波の発信、受信を行って前方の地質を探査する装置である。そのためにマシンを使用せずに爆破によって掘進するトンネルでは、探査の基準面を設定するためのカッターフェースが存在しないからそのまま転用することは出来ない。

上記のような課題を解決するために、本発明のトンネル切羽前方探査装置は、トンネル切羽前方の地盤内を探査する装置であって、台車と、台車に搭載し、切羽から後方に離間した位置に円形に設計した測線上を移動する電磁レーダーのアンテナと、アンテナの軌跡上の位置を知る回転角発生装置と、電磁レーダーのアンテナと切羽との距離を測定する測距装置と、データを収録、解析する解析装置とより構成したことを特徴としたものである。
また本発明のトンネル切羽前方探査装置は、トンネル切羽前方の地盤内を探査する装置であって、台車と、台車に搭載し、切羽から後方に離間した位置に円形に設計した測線上を移動する電磁レーダーのアンテナと、アンテナの軌跡上の位置を知る回転角発生装置と、電磁レーダーのアンテナと切羽との距離を測定する測距装置と、アンテナの切羽側に位置した板体であって、アンテナの移動方向の前方をソリ状に形成した摺動体と、摺動体のトンネル軸方向への移動を許容する伸縮治具と、データを収録、解析する解析装置とより構成したことを特徴としたものである。

本発明のトンネル切羽前方探査装置は以上説明したようになるから次のような効果を得ることができる。
＜１＞ 電磁波の発信の基準になるカッターフェースのような基盤が存在しないタイプのトンネルにおいて、その切羽前方の地質を正確に探査することができる。
＜２＞ 特に凹凸の多い切羽面であって、探査の基準面を設定しにくい場合でも、正確に切羽前方の地質を探査することができる。
＜３＞ 切羽に接近できるトンネル掘進工法の場合に本発明の装置を使用すれば、切羽を数分占拠するだけで、切羽前方の５〜２０ｍ程度の地盤状況の調査をすることができる。
＜４＞ 爆破後のズリを撤去したばかりの凹凸の多い切羽の表面をなぞるように装置を移動して探査することができるから、正確な探査を行うことができる。
＜５＞ リモートと自動で台車を移動でき、全部の作業が自動で行うように制御すること、すなわちロボット化を容易に行うことができる。
＜６＞ ロボット化することによって危険な切羽への作業員の接近作業を避け、作業事故を防ぐことができる。

本発明のトンネル切羽前方探査装置の実施例の説明図。 図１の回転枠の実施例の説明図。 図１の信号ケーブル配線の説明図。 他の実施例の説明図。 図４の実施例の信号ケーブル配線の説明図。 アンテナに摺動体を取り付ける実施例の説明図 図６の実施例の平面図。 図６の実施例の補正計算の説明図。

以下図面を参照にしながら本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。

＜１＞装置の全体。
本発明のトンネル切羽前方探査装置は、トンネル切羽前方の地盤内の状態を探査する装置である。
そしてこの装置は、台車１と、円の軌跡上に移動する電磁レーダーのアンテナ２と、ケーブルの捩れを解決するスリップリング１２と、アンテナ２の回転角発生装置２３と、測距装置２１と、データを解析する解析装置によって構成する。
そして本発明の装置は、トンネルの軸方向を横断する仮想面上をアンテナ２が走行するタイプの装置と、アンテナ２を切羽に押しつけてその位置を確認するタイプの装置がある。

＜２＞台車。
台車１はトンネルの切羽まで走行、逆送が可能な車輪付きの台であり、リモート操縦も可能であるように構成する。

＜３＞回転枠。
図１、２、３に示すタイプの台車１では、回転枠５を搭載する。
この回転枠５は、台車１上に水平方向に設置した回転軸４の先端に、直交する方向に取り付ける。
したがって回転枠５を回転させた軌跡面は、トンネルの軸線を横断する仮想の横断面を形成することになる。

＜４＞ロボットタイプ。
図４に示すように、電磁レーダーのアンテナ２を、回転するアームの先端に搭載した多関節ロボット６を使用する構造である。
ロボット６は台車１の上に搭載してある。
ロボット６には、回転した際にケーブルの捩れを生じさせないためのスリップリング１２と、回転角を計測するエンコーダー１３を装着している。
スリップリング１２はレーダーアンテナ２でとらえた反射波受信信号と、電磁波の発信タイミングである同期信号、およびアンテナ２への給電ケーブルに対応して機能するようになっている。
回転角を計測するエンコーダー１３をスリップリング１２に内蔵することもできる。
この構成では、台車１をリモート制御することを付け加えると、システム全体がロボット化でき、危険な切羽での作業を回避できる。

＜４＞アンテナ。
本発明のトンネル切羽前方地質探査システムは、トンネルを掘削した切羽面の前方の地中にレーダー信号（発信波）を発信し、地盤内から反射して戻ってきた受信波を受信し、波形処理を行うものである。
そのために回転枠５の先端付近には電磁レーダーのアンテナ２を取り付ける。
その結果、アンテナ２は円形に設計した測線上を移動することができる。
アンテナ２として例えば、中心周波数３５０〜４００ＭＨｚ程度のものを使用する。
このアンテナ２は、発信と受信を兼用する兼用アンテナ２（一体型）でも、あるいは発信用アンテナ２と受信用アンテナ２を別にしたもの（別体型）でもよい。但し別体型を採用した場合には、両アンテナ２は近接して設置する必要がある。
電磁レーダーの発信機本体は台車１の上に搭載し、その本体と回転枠５先端のアンテナ２を電気的に接続する。
そのために回転軸４と回転枠５との間にはスリップリング１２を介在させて回転部分への電気信号の伝達を可能とする。
さらに回転軸４には回転角発生装置２３を設けて、アンテナ２の円軌跡上の位置を把握する。

＜５＞発信と受信。
送信アンテナ２から、同期信号により一定時間間隔で電磁波パルスのレーダー信号を発信すると、この信号が切羽前方に存在する地層の境界面などの、種々の箇所で反射する。
この反射した反射波を受信アンテナ２で受信する。
同期信号を変更して、発信間隔を調整することにより、回転枠５が１回転する間に多数回の発信ができ、それに伴って多数の受信波を受信し、受信波形を記録することが出来る。

＜６＞測距装置。
回転枠５のアンテナ２の近くには測距装置２１を取り付ける。
この装置は、電磁レーダーのアンテナ２と切羽との距離を測定するための装置である。
この測距装置２１によって、仮想円盤である円の軌跡上を移動するアンテナ２と、多数の凹凸のある切羽面との間隔を正確に知ることができるので、信号処理において補正処理を行うことができる。

＜７＞ 摺動体。
アンテナ２の切羽側には、アンテナ２素子を保護するためにＦＲＰ製の板体を取りつける。
アンテナ２の移動方向におけるこの板体の前方を、図６に示すようにソリ状に形成して摺動体７として採用することも可能である。
この摺動体７を凹凸が分散している切羽に押し付ける場合には、切羽の突出部に接触した摺動体７から機体側に反力が伝達しないように、トンネルの中心軸方向と平行な伸縮治具５１の先端に摺動体７を取り付ける。
このように伸縮治具５１を介して、摺動体７を切羽に押し付けながら距離を測定するのでより正確である。

＜８＞解析装置。
データを収録、解析する解析装置を設ける。
本発明のトンネル切羽前方地質探査システムは、アンテナ２に発信システムから発信信号を与え、レーダー信号を発信する。
そしてアンテナ２で受けた受信波を受信システムで受信信号とし、電磁レーダー本体を介してコンピュータに入力する。
さらに測距装置２１からの信号によってアンテナ２から、凹凸する切羽までの距離を測定し、この測定値に応じて補正を行う。
これらの信号を解析するコンピュータでは受信波形などの必要なデータを信号処理し、解釈し、保存し、また表示装置や印刷装置などの出力装置に出力する。
なお、本装置なお、本装置によって切羽前方の地中の状況を探査する手段、システムなどは特許文献１などによって公知であるので、重複した説明は省略する。

＜９＞切羽凹凸の修正の１。
アンテナ２の描く仮想平面は、トンネルの中心軸を横断する平面となる。
しかし爆破で形成した切羽には多数の凹凸が存在しているので、その距離の修正が必要となる。
そこで、回転枠５を回転してできた仮想平面と、凹凸が存在する切羽との間に距離を測距装置２１で測定する。
その測定値によって、受信信号によって得られた値の補正を行う。

＜１０＞切羽凹凸の修正２．（図７、８）
これは、アンテナ２の切羽面に取り付けた摺動体７を切羽面をこするように移動させる構造である。
最初に測距装置２１で円測線と切羽の凹凸の値を計算する。
切羽に対して右横がゼロ度になる位置にアンテナ２前面の摺動体７を軽く押し当てる。
押し当てた摺動体７を切羽の凹凸をなぞるように、反時計方向に移動させる。この摺動体７の移動は、回転枠５の回転によって行う。
すると凹凸によって摺動体７はトンネル軸と直交する仮想平面に対してθの角度で接することが分かる。
一方、電磁レーダーの反射は、鉛直反射が基本である。
そこで摺動体７の傾斜、すなわちアンテナ２の傾斜θが分かれば、アンテナ２から対象物までの実際の斜距離を、鉛直仮想平面から直交した、トンネル軸と平行の距離に補正を行って対象物までの距離を知ることができる。

１：台車
２：アンテナ
２１：測距装置
４：回転軸
５：回転枠
６：多関節ロボット
７：摺動体

Claims (2)

1. トンネル切羽前方の地盤内を探査する装置であって、
   台車と
   台車に搭載し、切羽から後方に離間した位置に円形に設計した測線上を移動する電磁レーダーのアンテナと、
   アンテナの軌跡上の位置を知る回転角発生装置と、
   電磁レーダーのアンテナと切羽との距離を測定する測距装置と、
   データを収録、解析する解析装置とより構成したことを特徴とした、
   トンネル切羽前方探査装置。
2. トンネル切羽前方の地盤内を探査する装置であって、
   台車と、
   台車に搭載し、切羽から後方に離間した位置に円形に設計した測線上を移動する電磁レーダーのアンテナと、
   アンテナの軌跡上の位置を知る回転角発生装置と、
   電磁レーダーのアンテナと切羽との距離を測定する測距装置と、
   アンテナの切羽側に位置した板体であって、アンテナの移動方向の前方をソリ状に形成した摺動体と、
   摺動体のトンネル軸方向への移動を許容する伸縮治具と、
   データを収録、解析する解析装置とより構成したことを特徴とした、
   トンネル切羽前方探査装置。

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