JP5778527B2 - 地質探査装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえばトンネル掘削に際して施工領域の地質を探査するために適用して好適な地質探査装置に関する。

周知のように、トンネル掘削に際しては、効率的な掘進を行うために、あるいは障害物の有無を確認するために、事前にあるいは掘削しながら、施工領域の地質を探査することが重要である。
そのための手段としては、たとえば特許文献１に示される土質検知装置や特許文献２に示される測定装置が知られている。これらはいずれも対の電流電極と対の電圧電極を備えた比抵抗センサをトンネル掘削機（シールド掘進機やトンネルボーリングマシン等）に搭載したもので、地山の比抵抗を測定することによってその状況を探査し把握するものである。

実開平２−１４０３５０号公報 特開平１０−２２０１８２号公報

大断面トンネル等の大規模な地中空洞を施工するための工法として、特開２００８−１５６９０７号公報に示される地中空洞の施工方法（いわゆるＳＲ−ＪＰ工法（登録商標））が提案されている。
これは、大断面トンネルの掘削に先立って、先受工としての多数の小断面のルーフシールドトンネルを間隔をおいて先行施工し、それらルーフシールドトンネル内からの作業により隣り合うルーフシールドトンネル間の地山を掘削してそこに本設覆工壁を施工し、しかる後に本設覆工壁の内側を掘削して大断面トンネルを構築することを主眼とするものである。

上記のＳＲ−ＪＰ工法においては、隣り合うルーフシールドトンネル間を掘削するに際してその掘削領域を凍結工法や薬液注入工法等の補助工法により地盤改良を行う必要があるが、地質に応じた最適な補助工法の選択や施工範囲を最適に設定するためにはルーフシールドトンネル間の地山状況を予め正確に把握することが必要となる。
特に、土丹層中に介在砂層が点在しているような地山では介在砂層に対して止水のための薬液注入を確実に行う必要があるので、ルーフシールドトンネル間を掘削するに先立ってルーフシールドトンネルの周囲地山を全周かつ全長にわたって十分に探査して介在砂層の位置や状況を高精度で把握することが必要である。

従来においてはそのような砂層探査は地表からのボーリング調査により行うことが通常であったが、大深度かつ大断面トンネルの施工に際して地表からボーリング調査を行うことは多大の手間と費用を必要とするばかりでなく高精度の探査は困難でもあるので、そのようなことは現実的ではない。
そのため、ボーリング調査によることに代えて特許文献１や特許文献２に示されるような比抵抗センサを用いた探査手法の採用が検討され、ルーフシールドトンネルを掘削しながらその周囲地山の状況を比抵抗センサにより探査することが考えられている。

しかし、特許文献１に示される手法ではトンネルを掘削しながらその切羽前方の地山の土質探査は可能であるもののトンネルの側方地山の土質は探査し得ないし、特許文献２に示される手法では側方地山の探査は可能であるもののその探査可能範囲は比抵抗センサの設置位置周辺の限定された領域だけであり、したがってそれら従来の手法によることではルーフシールドトンネルの全長かつ全周にわたる地山状況を把握することはできるものではない。

以上のように、特許文献１や特許文献２に示される従来の探査手法では広範囲にわたる地山探査は困難であって、大規模トンネルを上記のＳＲ−ＪＰ工法のような特殊な工法により構築するような場合には必ずしも有効に適用し得ないことから、それを可能とする有効適切な手段の開発が求められているのが実状である。

上記事情に鑑み、請求項１記載の発明の地質探査装置は、地山内に挿入される回転体と、電流電極と電圧電極とからなる比抵抗センサと、前記電流電極に電流を流す通電装置と、前記電圧電極の電圧と前記電流電極の電流を計測して比抵抗を演算する演算装置とからなり、前記比抵抗センサは前記回転体の外周部に取り付けられるとともに、前記電流電極及び前記電圧電極を前記回転体の外周端から回転軸線中心の径方向内側の範囲内に配して取り付けられ、地山内に挿入された前記回転体の回転により、地山と離間した非接触状態の前記比抵抗センサによって地山の比抵抗を計測して、前記回転体の外周地山の地質を全周にわたって探査可能に構成されてなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は請求項１記載の発明の地質探査装置であって、トンネル掘削機をベースマシンとして構成されて、前記回転体は該トンネル掘削機の前面に設けられた回転カッタであり、前記比抵抗センサは前記回転カッタの外周端面に取り付けられてなることを特徴とする。
請求項３記載の発明は請求項１または請求項２に記載の地質探査装置であって、前記比抵抗センサが２つの電流電極と２つの電圧電極を備え、４極法で地山の比抵抗を計測するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、地山内に挿入される回転体の外周部に比抵抗センサを取り付けたので、回転体を回転させることによりその周囲地山の地質を全周にわたって比抵抗センサにより探査可能である。

特に本発明の地質探査装置をトンネル掘削に際してその周囲地山を探査する目的で適用する場合には、トンネル掘削機をベースマシンとしてその前部の回転カッタを回転体として利用して回転カッタの外周縁部に比抵抗センサを設置することにより、トンネル掘削段階においてその周囲地山全体の地質を広範囲にわたって把握することが可能であり、それによりトンネル施工時の安全性や確実性を向上させることができコストダウンに寄与し得る。

本発明の実施形態である地質探査装置の概略構成図である。 同、他の構成例を示す概略構成図である。 同、比抵抗センサの設置状態の一例を示す図である。 同、比抵抗センサの構成例を示す図である。

本発明の実施形態である地質探査装置の概略構成を図１に示す。
これは、上述したＳＲ−ＪＰ工法において小断面のルーフシールドトンネルを掘削する際にその周囲地山の地質探査を行うためのもので、ルーフシールドトンネルを掘削するためのトンネル掘削機１をベースマシンとしてそれに地山の比抵抗を計測するための比抵抗センサ５を搭載したことを基本とするものである。

ベースマシンとしてのトンネル掘削機１は、通常のシールド掘削機と同様に、スキンプレート２の前部に回転カッタ３を備えたもので、回転カッタ３を回転させて切羽を掘削しつつ、スキンプレート１内の推進ジャッキ（図示略）によりその後方に組み立てたセグメント（図示略）から反力を取って掘進してルーフシールドトンネルを構築するものである。

ベースマシンとしてのトンネル掘削機１に搭載されている比抵抗センサ５は、基本的には特許文献１や特許文献２に示されているものと同様に、基部６に対して４つの電極７（図示例では両側の２つの電流電極７ａ、７ｂと中央側の２つの電圧電極７ｃ、７ｄ）を備えたもので、この比抵抗センサ５には通電装置と演算装置（いずれも図示略）が接続されていて、通電装置により電流電極７ａ、７ｂに対して所定の電流を流した際における電圧を電圧電極７ｃ、７ｄで計測することにより、演算装置がそれらの計測値から地山の比抵抗を演算し、それに基づき地山の状況を精度良く把握可能なものである。

この種の比抵抗センサ５は特許文献１や特許文献２にも示されているように従来よりトンネル掘削機（シールド掘削機やトンネルボーリングマシン等）にも搭載されることがあるが、従来においては特許文献１に示されているように比抵抗センサを切羽に対向する回転カッタの前面に設置するか、あるいは特許文献２に示されるようにトンネル掘削機の側面に固定的に設置するものであったが、本実施形態の地質探査装置では比抵抗センサ５を回転カッタ３の外周端面に設置している。

そのため、従来においてはこの種の比抵抗センサをトンネル掘削機に設置しても切羽の前方地山のみあるいは側方地山の限定的な範囲しか探査できなかったのに対し、本実施形態のように比抵抗センサ５を回転カッタ３の外周端面に設置することにより、回転カッタ３の回転に伴って比抵抗センサ５が地中において回転軌跡を描いてその位置が刻々と移動し、かつトンネル掘削機１の掘進に伴って比抵抗センサ５が地中を前方に移動していくから、その移動範囲の全領域における比抵抗を計測し演算して３次元データを得ることができ、それによりルーフシールドトンネルの外周地山の地質状況を全周かつ全長にわたって正確に把握することが可能である。

このように、本実施形態の地質探査装置によれば、ベースマシンとしてのトンネル掘削機１によりルーフシールドトンネルを構築しつつその周囲地山に対する地質探査を全周かつ全長にわたって容易に行うことが可能であるから、たとえば土丹層における介在砂層の位置や範囲を高精度で探査することが可能である。
したがって、後段においてルーフシールドトンネル間を掘削するに先立って実施する薬液注入工法等の補助工法の選択や、補助工法の施工範囲や具体的な工程を最適に決定することが可能となり、その際の施工安全性や確実性をさらに向上させることができ、コストダウンにも寄与し得るものとなる。

なお、本実施形態の地質探査装置による地質探査は、トンネル掘削機１を停止させている状態（たとえばセグメントを組み立てている状態）において回転カッタ３を１回転させてその位置で外周地山を比抵抗センサ５により走査し、その後、トンネル掘削機１を所定ストローク（比抵抗センサ５によるトンネル軸方向の測定可能範囲を超えない範囲内とすることが好ましい）掘進させた後に、そこで再び停止させて同様に回転カッタ３を１回転させてさらにスキャンを行う、という手順を段階的に繰り返せば良く、それによりルーフシールドトンネルの周囲全体の地山に対する地質探査をトンネル掘削機１の掘進工程に同調させて効率的に実施することができる。
あるいは、可能であれば回転カッタ３を回転させてトンネル掘削機１を掘進させながら同時に探査を行えば、比抵抗センサ５による螺旋状の走査により周囲地山に対する探査を連続的に行うこともできる。

以上で本発明の一実施形態である地質探査装置の概略構成について説明したが、以下、本発明についてさらに詳細に説明する。

本発明では比抵抗センサ５による地山の比抵抗の計測を地山に対して非接触状態（比抵抗センサ５が地山と離間し、地山との間に泥水や泥土（水、水分）などが介在した状態）で行うことを基本とし、それが可能であるように比抵抗センサ５の配設位置や感度調整や演算装置による演算手法を適切に設定している。
また、比抵抗センサ５が地山との接触により破損したり早期に摩耗してしまうことのないように、基部６および各電極７は十分な強度と耐摩耗性を有する設計としている。

具体的には、比抵抗センサ５を回転カッタ３の外周端面に設置するため、回転カッタ３の外周部に比抵抗センサ５を収容するための収容凹部を設けておいて、その内部に比抵抗センサ５を設置している。
この場合、比抵抗センサ５の基部６の走査部側の面は、回転カッタ３の外周端面位置とほぼ面一位置になるよう配設する。回転カッタ３の外周端面より外側（地山側）に突出するように配設すると、回転カッタ３の回転による走査時に地山と接触する可能性が高くなり、そうすると摩耗による耐久性の低下や故障のおそれが高くなる。したがって、比抵抗センサ５の基部６の走査部側の面の位置は、回転カッタ３の外周端面位置よりも若干内側に引っ込み配設するほうが良い。
また、図３に示すように、収容凹部には開閉蓋８を設けておいて、通常時（非探査時）はそれを閉じておくようにすれば、比抵抗センサ５が地山と接触して損傷を受けたり摩耗することがないように保護し得るし、掘削時や掘進時に比抵抗センサ５がその障害になることもない。
なお、開閉蓋８を設けた場合は比抵抗センサ５が収納凹部内に埋まった状態で配設されることになるから、開閉蓋８を開いて探査しようとするときには、比抵抗センサ５の基部６が回転カッタ３の外周端面とほぼ面一になるように比抵抗センサ５を地山側に押し出せるようにしてもよい。

上記実施形態では比抵抗センサ５の各電極７を回転カッタ３の周方向（回転方向）に沿うように配列したが、それに限ることはなく、図２に示すように各電極７をトンネル軸方向（回転カッタ３の外周端面の母線方向）に沿うように配列しても良い。
また、比抵抗センサ５を回転カッタ３の外周端面に設置したうえで、必要であれば特許文献１に示されるように回転カッタ３の前面にも他の比抵抗センサを設置しても良く、それにより切羽前方の地質探査もより精度良く行い得るものとなる。

比抵抗センサ５における電極７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）は、図４に示すように棒状のものであって、各電極７はいずれも絶縁性で耐摩耗性を有する合成樹脂性の成形体である基部６に一体的に埋め込まれている。各電極７の基端部にはリード線９がつながっており、各電極７の先端部は基部６の走査部側の面とほぼ面一になっている。
基部６の概略寸法はＢ＝５ｃｍ程度、Ｌ＝１０ｃｍ程度、Ｈ＝５ｃｍ程度で、それぞれの電極７の相互間隔はｄ＝２ｃｍ程度としている。但し、これらの寸法はあくまで一例に過ぎない。
また、電極７には、基部６との一体化を高めるため、その長さ方向の中間位置に長さ方向に交差する方向に突出する突出部を複数設けている。
なお、電極７の先端部位置であるが、図４（ｂ）に示しているように基部６の走査部側の面と面一にせず、若干引っ込めて基部６の内部側に位置するようにすれば電極保護になる。

上記実施形態はＳＲ−ＪＰ工法においてルーフシールドトンネルを施工する際にその周囲地山を探査する場合の適用例であるので、ルーフシールドトンネルを掘削するためのトンネル掘削機（シールド掘削機）１を比抵抗センサ５を設置するためのベースマシンとしたが、ベースマシンとしては前面に回転カッタを備えてその外周端面に比抵抗センサを装着可能なものであれば良く、その限りにおいてシールド掘削機に限らず各種のトンネル掘削機を採用可能である。

さらに、本発明の地質探査装置は、上記実施形態のようにトンネル掘削時における地山探査を目的として各種のトンネル掘削機をベースマシンとすることに限るものでもなく、各種分野において様々な目的で地質探査を行う場合全般に広く適用可能なものであって、本発明の地質探査装置の具体的な構成はその目的や使用状況に応じて様々に変更可能である。
すなわち、上記実施形態ではトンネル掘削時にその周囲地山を探査することを目的とするものであることから、比抵抗センサ５を設置するためのベースマシンをトンネル掘削機１としてその回転カッタ３の外周端面に比抵抗センサ５を設置した（つまり、比抵抗センサ５を回転させるための回転体としてトンネル掘削機の回転カッタ３を利用したものであるといえる）が、本発明はそのようにトンネル掘削機をベースマシンとすることに限るものではないし、比抵抗センサ５を回転させるための回転体としてトンネル掘削機の回転カッタ３を利用することに限るものでもない。

要は、探査対象の地山内において比抵抗センサ５を回転させてその回転軌跡の範囲全体の探査を行うように構成すれば良いのであり、したがって比抵抗センサ５を回転させるための回転体としては、外周部に比抵抗センサ５を取り付けることができかつ探査対象の地山内に挿入されて地山をスキャン可能なものであれば良いのであって、その限りにおいて回転体としては様々な機構や形態が採用可能である。
具体的には、たとえば本発明の地質探査装置を地表部からボーリング調査を行うためのボーリングマシンをベースマシンとして適用して、そのドリルやオーガーを回転体として利用してその先端外周部に比抵抗センサ５を設置することも考えられ、その場合はドリルやオーガーを地中に挿入して回転させることのみで比抵抗センサによる走査によりその周囲地盤全体の地質を探査することが可能である。

１ トンネル掘削機（ベースマシン）
２ スキンプレート
３ 回転カッタ（回転体）
５ 比抵抗センサ
６ 基部
７ 電極
７ａ、７ｂ 電流電極
７ｃ、７ｄ 電圧電極
８ 開閉蓋
９ リード線

Claims (3)

1. 地山内に挿入される回転体と、電流電極と電圧電極とからなる比抵抗センサと、前記電流電極に電流を流す通電装置と、前記電圧電極の電圧と前記電流電極の電流を計測して比抵抗を演算する演算装置とからなり、
   前記比抵抗センサは前記回転体の外周部に取り付けられるとともに、前記電流電極及び前記電圧電極を前記回転体の外周端から回転軸線中心の径方向内側の範囲内に配して取り付けられ、
   地山内に挿入された前記回転体の回転により、地山と離間した非接触状態の前記比抵抗センサによって地山の比抵抗を計測して、前記回転体の外周地山の地質を全周にわたって探査可能に構成されてなることを特徴とする地質探査装置。
2. 請求項１記載の地質探査装置であって、
   トンネル掘削機をベースマシンとして構成されて、前記回転体は該トンネル掘削機の前面に設けられた回転カッタであり、
   前記比抵抗センサは前記回転カッタの外周端面に取り付けられてなることを特徴とする地質探査装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の地質探査装置であって、
   前記比抵抗センサが２つの電流電極と２つの電圧電極を備え、４極法で地山の比抵抗を計測するように構成されていることを特徴とする地質探査装置。

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