JP6251128B2 - シールド掘進機による土質分布の判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機による土質分布の判定方法に関し、特にカッターヘッドに取り付けられた加速度センサーと、コンピュータとを含む、切羽土質分布の判別システムを備えるシールド掘進機による土質分布の判定方法に関する。

近年、例えば都市部においては、立坑用地の問題や地下埋設物との輻輳を理由として、シールドトンネルを長距離化して構築することが望まれている。シールドトンネルを長距離化して構築する場合、シールド掘進機による掘進に伴って、切羽面の地盤の土質が変化することが多い。また、シールド掘進機が、例えば上下方向や左右方向に積層した異なる土質の地盤の境界部分を掘進してゆく際には、切削される同じ切羽面に、異なる土質の地盤が同時に現れる場合がある。

シールド掘進機が異なる土質の地盤の境界部分を掘進してゆく際に、例えば一方の土質の地盤が岩盤等であって、他方の土質の地盤よりも相当程度固い硬質の地盤である場合には、このような切羽面の土質の状況を適切に把握していないと、シールド掘進機が、固い地盤に乗り上げ易くなったり、横滑りし易くなったりすることで、シールドトンネルの縦断線形や平面線形を精度良く保持することが困難になる。このため、切羽面の土質の状況を面的に把握して、例えば先行ビットによるオーバーカット量を固い地盤の部分で増やすこと等によって、固い地盤に乗り上げたり、横滑りしたりしないように制御しながら、地盤の状況に応じたシールド掘進機の掘進管理を安定した状態で行えるようにする技術の開発が望まれている。

特に、シールド本体の先端部に設けられたカッターヘッドを回転させて、切羽面を切削しながら掘進する従来の密閉型のシールド掘進機では、切羽面の土質の変化は、一般に、例えば隔室から排出される切削土砂の性状を調べたり、切羽面の土圧や、カッターヘッドによるカッタートルク値を計測したりすることによって評価するようになっていたが、このような評価方法では、切羽面の土質を面的に把握して、切羽面における異なる土質の分布状況を適切に評価することは困難である。

一方、シールド工法において、振動センサーを用いて、切羽前方の地盤の状態を調査・判定する地盤判定装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の地盤判定装置では、回転するカッターヘッドに取り付けられた刃体に発生する切削振動を、振動センサーで検出すると共に、切削振動の周波数分布と振幅とを振動測定手段によって測定することに加えて、刃体の状態を、刃体状態センサーで検出すると共に、磨耗量測定手段によって刃体の磨耗量を測定し、予め掘削刃体の磨耗量に応じて作成された、地盤の種類と、切削振動の周波数分布及び振幅との関係を表した参照テーブルを用いて、測定された切削振動の周波数分布及び振幅と、測定された刃体の磨耗量とに基づいて、判定手段によって、参照テーブルを参照することにより地盤の種類を判定するようになっている。また特許文献１の地盤判定装置では、回転角計測手段から出力されるカッターヘッドの回転角信号に応じて、判定手段において判定された地盤の種類を、カッターヘッドの回転角毎に取り込むと共に、分布測定手段によって、刃体の１回転分の軌跡上における地盤の種類の分布を出力させるようになっている。

特開平１０−１９８５３号公報

しかしながら、特許文献１の地盤判定装置では、振動センサーで検出した切削振動の周波数分布及び振幅と、刃体状態センサーで検出した刃体の磨耗量とに基づいて、掘削刃体の磨耗量に応じて予め作成された参照テーブルを参照して、判定手段によって地盤の種類を判定するようになっているので、種々の地盤に対する、掘削刃体の磨耗量に応じた多数の参照テーブルを、予め精度良く作成しておくのに多くの手間を要すると共に、参照テーブルが精度良く作成されていないと、地盤の種類の判定に誤差が生じ易くなる。このため、より簡易な構成によって、カッターヘッドで切削中の切羽面の地盤の状況を、リアルタイムで面的に精度良く把握することを可能にして、コンピュータによるシールド掘進機の掘進管理を、地盤の状況に応じて安定した状態で行えるようにする技術の開発が望まれている。

また、カッターヘッドによる切削中に精度良く把握された切羽面の地盤の状況から、例えば切羽面よりも掘進方向前方の地盤の土質分布を判定できるようにしたり、構築されたシールドトンネルの外周部分の地盤の土質分布を判定できるようにすることによって、コンピュータによるシールド掘進機の掘進管理を、さらに効率良く且つ安定した状態で行えるようになると共に、今後の土木工事や地質調査に有益な情報を得ることが可能になると考えられる。

本発明は、シールドトンネルを構築する際に、簡易な構成によって、カッターヘッドで切削中の切羽面の地盤の状況を、リアルタイムで面的に精度良く把握して、把握された切羽面の地盤の状況から、例えば切羽面よりも掘進方向前方の地盤の土質分布や、シールドトンネルの外周部分の地盤の土質分布を判定することを可能にするシールド掘進機による土質分布の判定方法を提供することを目的とする。

本発明は、カッターヘッドの外周部分に取り付けられた加速度センサーと、該加速度センサーと接続されたコンピュータとを含む、切羽土質分布の判別システムを備えるシールド掘進機による土質分布の判定方法であって、前記コンピュータは、前記加速度センサーから送られる、前記カッターヘッドに設けられたカッタービットによって切羽面を切削する際の切削振動データを、前記カッターヘッドの所定の回転角度毎に記憶させる振動データ記憶部と、該振動データ記憶部によって記憶された前記回転角度毎の切削振動データを、切羽断面を模した円の円周方向に分布する切削振動分布として表示させる振動データ表示部とを備えており、前記振動データ記憶部によって記憶される回転角度毎の切削振動データを、シールドトンネルを構成するセグメントによる各リング分の掘進スパンについて各々採取して、前記振動データ表示部によって前記切羽断面を模した円の円周方向に分布する切削振動分布として表示させ、表示された前記切羽断面を模した円の円周方向の切削振動分布における、振動の分布の傾向が明らかに変化する箇所である振動の変動箇所から、切羽面の地盤の前記切羽断面における異なる土質の境界部分を判別し、且つ周辺の地盤の柱状図、又は排土された切削土砂の性状を参照することによって、判別された層構成の各層の土質を判別するシールド掘進機による土質分布の判定方法を提供することにより、上記目的を達成したものである。

そして、本発明のシールド掘進機による土質分布の判定方法は、前記コンピュータが、境界線表示部を備えており、該境界線表示部は、前記振動データ表示部によって表示された複数の前記切羽断面を模した円の円周方向の各々の切削振動分布における、一対の振動の変動箇所を結んだ結合線を、切羽面の地盤の前記切羽断面における異なる土質の境界部分として表示させることが好ましい。

また、本発明のシールド掘進機による土質分布の判定方法は、前記コンピュータは、前方土質分布判定部を備えており、該前方土質分布判定部は、前記振動データ表示部によって表示された、前記切羽断面を模した円の円周方向の切削振動分布における振動の変動箇所の位置が、掘進方向先端側の複数の掘進スパンで掘進方向に変位してゆく傾向から、切羽面よりも掘進方向前方の地盤の土質分布を判定することが好ましい。

さらに、本発明のシールド掘進機による土質分布の判定方法は、前記コンピュータが、地質実績図作成部を備えており、該地質実績図作成部は、前記振動データ表示部によって表示された、各々の掘進スパンにおける複数の前記円周方向の切削振動分布による切削振動データを、切羽断面を模した円の鉛直方向に複数に分割し、分割した各領域の左右の切削振動データの平均値から、コンター表示による鉛直方向振動分布を得て、得られた各々の掘進スパン毎の鉛直方向振動分布を、シールド掘進機による掘進方向に連接させることで、地質実績図を作成するようになっており、作成した地質実績図によって、シールドトンネルの外周部分の地盤の土質分布を判定することが好ましい。

さらにまた、本発明のシールド掘進機による土質分布の判定方法は、作成した地質実績図を、周囲の地盤のボーリング柱状図から得られた地質縦断図における、シールド掘進機による掘進箇所に重ね合わせて表示して、シールドトンネルの外周の地盤の土質分布を判定することが好ましい。

また、本発明のシールド掘進機による土質分布の判定方法は、前記振動データ表示部が、前記円周方向の切削振動分布として、回転角度毎の振動加速度の分布を表示させることが好ましい。

本発明のシールド掘進機による土質分布の判定方法によれば、シールドトンネルを構築する際に、簡易な構成によって、カッターヘッドで切削中の切羽面の地盤の状況を、リアルタイムで面的に精度良く把握して、把握された切羽面の地盤の状況から、例えば切羽面よりも掘進方向前方の地盤の土質分布を判定することができる。

本発明の好ましい一実施形態に係るシールド掘進機による土質分布の判定方法に用いる、切羽土質分布の判別システムの構成を説明する説明図である。 シールド掘進機の正面図である。 図２のＡ−Ａに沿った拡大断面図である。 図３のＢ部拡大側面図である。 加速度センサーによる切削振動データの検出方向を説明する、図４をＣ方向から視た上面図である。 （ａ）は振動データ表示部や境界線表示部による表示画面の説明図、（ｂ）は切羽面よりも掘進方向前方の地盤の土質分布を判定する画面の説明図である。 実施例において、作成した地質実績図を地質縦断図に重ね合わせて表示した画面の説明図である。 実施例において、過去の土質分布の判定結果から掘進方向前方の地盤の土質分布を予測する状況の説明図である。 実施例において、土質分布を予測した掘進方向前方の地盤を切削した際の、当該地盤の円周方向の切削振動分布を表示した画面の説明図である。

本発明の好ましい第１実施形態に係るシールド掘進機による土質分布の判定方法は、図１に示す切羽土質分布の識別システム１０を用いて、掘進中のシールド掘進機１１の周囲の地盤の土質分布を判定するための方法として採用されたものである。

ここで、図１に示す切羽土質分布の識別システム１０は、密閉型のシールド掘進機として、例えば泥土圧式のシールド掘進機１１によってシールドトンネルを構築する工事において、切削中の切羽面の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの状況を、リアルタイムで面的に精度良く把握することを可能にするシステムである。すなわち、図１に示す切羽土質分布の識別システム１０は、例えば都市部においては、立坑用地の問題や地下埋設物との輻輳等を理由として、大口径のシールド掘進機のみならず、中小口径のシールド掘進機による工事でも、シールドトンネルを長距離化して構築することが望まれており、シールドトンネルを長距離化して構築する場合、積層した異なる土質の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの境界部分をシールド掘進機によって掘進してゆくことが多くなると予想されることから、切削される同じ切羽面に、異なる土質の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃが同時に現れても、このよう切羽面の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの状況を適正に把握して、例えば固い地盤１２ａへの乗り上げや横滑りを回避できるようにすることで、シールドトンネルの縦断線形や平面線形を精度良く保持できるようにする機能を備えている。

また、図１に示す切羽土質分布の識別システム１０は、カッターヘッド１３の外周部分に取り付けられた加速度センサー１４を使用して、簡易な構成によって、好ましくは周辺の地盤の柱状図や、排土された切削土砂の性状等を参照しながら、切削中の切羽面の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの状況を、リアルタイムで面的に精度良く把握できるようになっている。

そして、本第１実施形態の土質分布の判定方法は、カッターヘッド１３の外周部分に取り付けられた加速度センサー１４と、加速度センサー１４と接続されたコンピュータ２０とを含む、切羽土質分布の判別システム１０を備えるシールド掘進機１１による判定方法であって、コンピュータ２０は、加速度センサー１４から送られる、カッターヘッド１３に設けられたカッタービット１６によって切羽面１２を切削する際の切削振動データを、カッターヘッド１３の所定の回転角度毎に記憶させる振動データ記憶部２１と、振動データ記憶部２１によって記憶された回転角度毎の切削振動データを、切羽断面を模した円の円周方向に分布する切削振動分布２３として表示させる振動データ表示部２２とを備えており、振動データ記憶部２１によって記憶される回転角度毎の切削振動データを、シールドトンネルを構成するセグメントによる各リング分の掘進スパンについて各々採取して、振動データ表示部２２によって切羽断面を模した円の円周方向に分布する切削振動分布として表示させ、表示された切羽断面を模した円の円周方向の切削振動分布における、振動の分布の傾向が明らかに変化する箇所である振動の変動箇所から、切羽面の地盤の前記切羽断面における異なる土質の境界部分を判別し、且つ周辺の地盤の柱状図、又は排土された切削土砂の性状を参照することによって、判別された層構成の各層の土質を判別するようになっている。

また、本第１実施形態では、コンピュータ２０は、境界線表示部３１を備えており、この境界線表示部３１は、振動データ表示部２２によって表示された複数の切羽断面を模した円の円周方向の各々の切削振動分布２３における、一対の振動の変動箇所２３ａを結んだ結合線２３ｂを、切羽面の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの切羽断面における異なる土質の境界部分として表示させるようになっている（図６（ａ）参照）。

さらに、本第１実施形態では、コンピュータ２０は、前方土質分布判定部３２を備えており、振動データ表示部２２によって表示された、切羽断面を模した円の円周方向の切削振動分布２３における振動の変動箇所２３ａの位置が、掘進方向先端側の複数の掘進スパンで掘進方向に変位してゆく傾向から、切羽面１２よりも掘進方向前方の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質分布を判定するようになっている（図６（ｂ）参照）。

さらにまた、本第１実施形態では、振動データ表示部２１は、円周方向の切削振動分布２３として、回転角度毎の振動加速度（切削時の地盤応答加速度）の分布を表示させるようになっている。

また、本第１実施形態では、シールド掘進機１１のシールド本体１５の内側壁面として、好ましくはシールド本体１５に設けられた隔壁１７の背面部分に、コンピュータ２０と接続する補助加速度センサー１８が取り付けられており、振動データ表示部２２は、補助加速度センサー１８から送られる本体部振動データによってノイズや機械震動を取り除いた状態で、回転角度毎の切削振動データを、円周方向の切削振動分布２３として表示させるようになっている。

本第１実施形態では、図１に示すように、シールド掘進機１１は、密閉型のシールド掘進機として、例えば公知の泥土圧式のシールド掘進機となっている。泥土圧式のシールド掘進機１１には、シールド本体１５における先端部分のカッターヘッド１３の後方に、泥土圧によって満たされる隔室１９を形成するための隔壁１７が設けられており、この隔壁１７に支持させて、カッターヘッド１３のセンターシャフト１３ａが設けられている。またシールド本体１５の内部には、排泥機構（図示せず）、回転駆動モーター（図示せず）、シールドジャッキ（図示せず）、エレクター（図示せず）等が設けられている。

本第１実施形態では、切羽土質分布の判別システム１０を構成するコンピュータ２０は、データベースサーバとして機能する公知のものであり、例えばパーソナルコンピュータ等を使用することができる。コンピュータ２０としてのデータベースサーバは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｆ、記憶手段、入力手段、表示手段、出力手段等を備えている。データベースサーバのＣＰＵは、ＲＯＭに組み込まれた制御プログラムに従って、ＲＡＭをワークエリアとして使用しながら、データベースサーバの全体の動作を制御する。また、ＣＰＵは、各種のコンピュータプログラムがＲＯＭに組み込まれていることにより、記憶手段、入力手段、表示手段、出力手段等として機能させると共に、後述する振動データ記憶部２１よって、加速度センサー１４から送られる切削振動データを、カッターヘッド１３の回転角度と共に記憶させたり、振動データ表示部２２によって、振動データ記憶部２１に記憶された切削振動データを、円周方向に分布する切削振動分布２３としてディスプレイ２４に表示させたり、前方土質分布判定部３２によって、切羽面１２よりも掘進方向前方の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質分布を判定させたりできるようになっている。

また、本第１実施形態では、コンピュータ２０には、シールド工法における各種の計測器から収集される計測値や、入力手段を介してデータ入力される測量値を一元管理することが可能な、公知のシールド掘進管理システムが組み込まれている。シールド掘進管理システムは、例えばシールド工法における各種の計測器から収集された計測値を一元管理し、その情報を整理して技術者や作業者へ提供することによって、現場施工管理の支援を行う機能や、経時変化や統計処理の結果に基づいて、地山の状況や掘削土砂の状況、シールド掘進機の付加状況などを推測する機能や、或いは計測結果を入力することによりシール掘進機やセグメントの位置を計算して、基線からの偏差を求める機能等を備えている。このようなシールド掘進管理システムとしては、好ましくは株式会社演算工房製の「シールド掘進管理システム」を用いることができる。

さらに、本第１実施形態では、コンピュータ２０は、地上に設けられた運転管理室３０に設置されており、運転管理室３０に設置された当該コンピュータ２０は、例えば加速度センサー用アンプ２５ａ，２５ｂを介すると共に、ＰＣＬからなる制御盤２６、シーケンサ盤２７、遠隔操作盤２８等を備える公知の伝送システム２９を介することによって、各種の計測器や、後述する加速度センサー１４や補助加速度センサー１７と接続されている。

コンピュータ２０と共に図１に示す切羽土質分布の判別システム１０を構成する加速度センサー１４や補助加速度センサー１８は、速度の時間変化率（時間微分）である加速度を検出するセンサーとして公知の、種々の加速度センサーを用いることができる。加速度センサーは、物体に働く加速度が、加えられた外力に比例するといった物理法則を用いて、加速度そのものの値の測定や、外力が加わったことを検出するのに用いられる。加速度センサー１４や補助加速度センサー１８は、高精度な測定が要求される科学実験や、重力計測、地震計測等の他、傾き、振動、動き、衝撃、落下などを検出することが可能な種々の加速度センサーを用いることができる。このような加速度センサーとして、より具体的には、振動の大きさや周波数等を精度良く検出することが可能な、例えば昭和測器（株）製の３軸型の各種の圧電型加速度検出器を用いることができる。

本第１実施形態では、加速度センサー１４は、図２及び図３にも示すように、好ましくはカッターヘッド１３の外周部分として、カッターヘッド１３の最も外周部分に配置されたカッタービット１６ａに近接して、このカッタービット１６ａと離間した状態でカッターヘッド１３に取り付けられている。すなわち、加速度センサー１４は、カッターヘッド１３の最も外周部分に配置されたカッタービット１６ａの背面部分に取り付けられている。加速度センサー１４が、カッターヘッド１３の最も外周部分に配置されたカッタービット１６ａに近接して、カッタービット１６ａと離間した状態で取り付けられていることにより、切削時の地盤応答加速度を適切に計測することが可能になる。また加速度センサー１４のメンテナンスが容易になると共に、カッタービット１６ａの交換作業に影響を及ぼすのを回避することができる。

また、本第１実施形態では、加速度センサー１４は、例えば３軸型の圧電型加速度検出器となっていることで、好ましくは互いに垂直な少なくとも２方向として、３方向の切削振動データを検出できるようになっている。加速度センサー１４は、図３〜図５に示すように、第１の検出方向であるＸ方向を、カッターヘッド１３の回転円周方向Ｒ（図２参照）に沿わせ、第２の検出方向であるＹ方向を、当該加速度センサー１４が取り付けられた部分のカッターヘッド１３のヘッド面と垂直な方向として、例えばローラーカッターとなっている、カッターヘッド１３の最も外周部分に配置されたカッターヘッドビット１６ａの回転軸１６ｂ（図３参照）と垂直な方向に沿わせて、カッターヘッド１３の外周部分に取り付けられている。加速度センサー１４による第１の検出方向Ｘを、カッターヘッド１３の回転円周方向Ｒに沿わせ、加速度センサー１４による第２の検出方向Ｙを、加速度センサー１４が取り付けられた部分のカッターヘッド１３のヘッド面と垂直な方向に沿わせることにより、第１の検出方向Ｘによって回転円周方向Ｒの地盤応答加速度を、第２の検出方向Ｙによって掘進方向の地盤応答加速度を、各々効率良く計測することが可能になるので、これらの応答加速度から、さらに精度の良い切削振動分布２３を得ることが可能になる。

本第１実施形態では、加速度センサー１４は、ロータリージョイントを通じて、接続ケーブル１４ａを介して加速度センサー用アンプ２５ａと接続している（図１参照）。なお、本第１実施形態では、加速度センサー１４の第３の検出方向であるＺ方向は、加速度センサー１４が取り付けられた部分におけるカッターヘッド１３のヘッド面に沿った方向として、例えばローラーカッターとなっている、カッターヘッド１３の最も外周部分に配置されたカッターヘッドビット１６ａの回転軸１６ｂ（図３参照）の方向に配置された状態となっている。

一方、本第１実施形態では、補助加速度センサー１８は、図１に示すように、シールド本体１５の内側壁面として、隔室１９を仕切る隔壁１７の背面部分に取り付けられている。補助加速度センサー１８は、加速度センサー１４と同様に、３軸型の圧電型加速度検出器となっており、好ましくは第１の検出方向を、シールド掘進機１１による掘進方向に沿わせ、第２の検出方向を、カッターヘッド１３の回転周方向Ｒに沿わせた状態で、隔壁１７の背面部分に取り付けられている。これによって、シールド掘進機１１の稼働時に、シールド本体１５が振動することによる固有の振動データを、効率良く且つ精度良く計測して得ることが可能になる。また補助加速度センサー１８は、接続ケーブル１８ａを介して加速度センサー用アンプ２５ｂと接続している。補助加速度センサー１８からの本体部振動データが、加速度センサー用アンプ２５ｂ及び伝送システム２９を介してコンピュータ２０に送られることで、上述のように、振動データ表示部２２は、ノイズや機械震動を取り除いた状態で、加速度センサー１４から送られる回転角度毎の切削振動データを、円周方向の切削振動分布２３として表示させることができるようになっている。

さらに、本実施形態では、カッターヘッド１３のセンターシャフト１３ａに、例えばロータリーエンコーダからなる回転計（図示せず）が取り付けられている。この回転計によって計測された回転角度が、伝送システム２９を介してコンピュータ２０に送られることで、加速度センサー１４によって計測された、切羽面１２を切削する際の切削振動データを、所定の回転角度毎に、振動データ記憶部２１によって記憶させることができるようになっている。

ここで、本第１実施形態によれば、加速度センサー１３による円周方向の計測の頻度Δθは、データ収集の時間間隔Δｔと、カッターヘッド１５の回転速度ｒ(ppm)とから、Δθ＝ｒ／６０×Δｔ×３６０°の計算式によって決まるようになっている。例えばシールド掘進機１１が、掘削外径が２３６０ｍｍ程度の小口径の掘進機であって、回転速度がｒ＝２．３(ppm)と早くなっている場合に、計測時間間隔Δｔを０．１秒と設定した際の計測の頻度Δθは、Δθ＝２．３／６０×０．１×３６０°から、１．３８°となり、したがって１．３８°毎に、加速度センサー１４による計測がなされることになる。

また、本第１実施形態では、カッターヘッド１３における加速度センサー１４の円周方向の位置θ°を把握するために、カッターヘッド１３のセンターシャフト１３ａに、接点スイッチ（図示せず）が設置されており、例えばシールド掘進機１１の天端をゼロ点として、このゼロ点を通過する毎回の通過時に、リセット処理を行うことができるようになっている。

本第１実施形態では、加速度センサー１４によって所定の回転角度毎に計測された切削振動データは、好ましくは加速度センサー１４による計測時と同じタイミングで補助加速度センサー１８によって計測された本体部振動データと共に、専用の加速度センサー用アンプ２５ａ，２５ｂを介して出力され、出力された信号は、制御盤２６やシーケンサ盤２７を通過することで、その他の掘進管理データと同じ伝送システム２９を通じて、運転管理室３０に送られるようになっている。

そして、本第１実施形態では、コンピュータ２０は、上述のように、振動データ記憶部２１と、振動データ表示部２２とを含んで構成されており、さらに前方土質分布判定部３２を備えている。また、コンピュータ２０は、振動データ表示部２１によって表示された、切羽断面を模した円の円周方向の切削振動分布２３における、一対の振動の変動箇所２３ａを結んだ結合線２３ｂを、切羽面１２の地盤１２ａ，１２ｂ、１２ｃにおける異なる土質の境界部分として表示させる（図６（ａ）、（ｂ）参照）、境界線表示部３１を備えている。

振動データ記憶部２１は、シールドトンネルを構成するセグメントによる各リング分の各々の掘進スパンの掘進時に、加速度センサー１４から加速度センサー用アンプ２５ａ及び伝送システム２９を介してコンピュータ２０に送られる、切羽面１２をカッタービット１６で切削する際の切削振動データを、各々の掘進スパンに対応させて、各リングのリングＮo．と共に、カッターヘッド１３の所定の回転角度毎に記憶する。

また、振動データ記憶部２１は、シールドトンネルを構成するセグメントによる各リング分の各々の掘進スパンの掘進時に、補助加速度センサー１８から加速度センサー用アンプ２５ｂ及び伝送システム２９を介してコンピュータ２０に送られる、カッタービット１６によって切羽面１２を切削する際に、回転駆動モーター等の駆動によってシールド本体１５自体が振動することによる本体部振動データを、各々の掘進スパンに対応させて、各リングのリングＮo．と共に、カッターヘッド１３の所定の回転角度毎に記憶する。

本第１実施形態では、これらの切削振動データや本体部振動データは、シールドトンネルを構成するセグメントによる各リング分の各々の掘進スパンについて、例えば当該１リング分の１０００ｍｍの掘進スパンの掘進開始時から、シールドジャッキや推進ジャッキのジャッキストロークが１００ｍｍ進んだ時点で、計測を開始し、カッターヘッド１３が５回転する間、切削振動データや本体部振動データを計測し続けて、５回転分の計測値の平均として得られたデータとすることができる。これによって、より安定した状態で、各々のリング分の計測結果を得ることが可能になる。

また、これらの切削振動データや本体部振動データは、コンピュータ２０に組み込まれた公知のシールド掘進管理システムにおいて、シールド工法における各種の計測器から収集された計測値と時系列で統合されて、好ましくはセグメントを用いて組み立てられる各リングのリングＮo．に、紐付けされたデータとして保存することができる。

振動データ表示部２２は、振動データ記憶部２１に記憶された、回転角度毎の切削振動データを、切羽断面を模した円の円周方向に分布する切削振動分布２３として表示させる。すなわち、振動データ表示部２２は、図６（ａ）に示すように、回転角度毎の切削振動データとして、好ましくは回転角度毎の振動加速度（切削時の地盤応答加速度）の大小の分布を、補助加速度センサー１８から送られる本体部振動データによってノイズや機械震動を取り除いた状態で、例えばコンピュータ２０と接続するディスプレイ２４上に、切削振動分布２３として表示させる。また振動データ表示部２２は、このような円周方向に分布する切削振動分布２３を、各リング分の各々の掘進スパン毎に、複数連設して表示させることができるようになっている。

なお、図６（ａ）に示す切削振動分布２３は、加速度センサー１４による切削振動データの検出方向として、好ましくはカッターヘッド１３の回転周方向ＲであるＸ方向の切削振動データによる振動加速度の大小の分布を、補助加速度センサー１８による、好ましくはカッターヘッド１３の回転周方向Ｒである第２の検出方向の本体部振動データによってノイズや機械震動を取り除いた状態で、ディスプレイ２４上に表示させたものとなっている。これらによって、カッターヘッド１３で切削中の切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの状況を、より精度良く反映させた切削振動分布２３を表示させることが可能になる。

本第１実施形態では、振動データ表示部２２によって表示された図６（ａ）に示す円周方向の切削振動分布２３から、切羽面１２の地盤における異なる土質の境界部分を、容易に判別することができる。すなわち、表示された円周方向の切削振動分布２３を観察することで、振動の分布の傾向が明らかに変化する箇所である振動の変動箇所２３ａを、容易に判別することができる。図６（ａ）の切削振動分布２３では、左右両側に２箇所ずつ、振動の変動箇所２３ａを識別することができる。また、左右両側の２箇所ずつ変動箇所２３ａを、各々繋げることによって、切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの層構成を判別することができると共に、好ましくは周辺の地盤の柱状図や、隔室１９から排土された切削土砂の性状等を参照することによって、判別された層構成の各層の土質を、容易に判別することが可能になる。

また、本第１実施形態では、左右両側の各一対の振動の変動箇所２３ａを結んだ結合線２３ｂを、切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃにおける異なる土質の境界部分として表示させる、境界線表示部３１を備えているので、この境界線表示部３１によって結合線２３ｂを表示させることにより、切羽面１２における異なる土質の境界部分や地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの層構成を、さらに容易に把握することが可能になる。

本第１実施形態では、振動データ表示部２２は、さらに、図６（ｂ）に示すように、振動データ記憶部２１によって記憶された、シールドトンネルを構成するセグメントによる各リング分の各々の掘進スパンの掘進時に計測された切削振動データから、所定箇所の複数の掘進スパンの切削振動データを取り出して、これらの切削振動データによる、切羽断面を模した円の円周方向の複数の切削振動分布を、シールド掘進機１１の掘進方向に連設させた状態で表示させることができるようになっている。なお、図６（ｂ）に示す表示画面では、切削振動分布２３（図６（ａ）参照）から振動の変動箇所２３ａを判別すると共に、境界線表示部３１によって結合線２３ｂを表示させてから、切削振動分布２３を消去すると共に結合線２３ｂを描いた状態で、切羽断面を模した円が複数連設して表示されている。本第１実施形態では、前方土質分布判定部３２は、これらの複数連設する切削振動分布や切羽断面を模した円から、切羽面よりも掘進方向前方の地盤の土質分布を判定するようになっている。

前方土質分布判定部３２は、統計処理などを行うための公知の各種の数式が組み込まれていることにより、円周方向の切削振動分布における振動の変動箇所２３ａの位置が、掘進方向先端側の複数の掘進スパンで掘進方向に変位してゆく傾向から、切羽面よりも掘進方向前方の地盤の土質分布を判定できるようになっている。すなわち、本第１実施形態では、前方土質分布判定部３２は、例えば掘進方向先端側の複数の掘進スパンの切削振動分布や切羽断面を模した円から、任意の複数の切削振動分布等を指定することにより、指定した任意の複数の切削振動分布等の間で、例えば振動の変動箇所２３ｂの位置を繋ぎ合わせたり、振動の変動箇所２３ｂが変位する際の変位の変化率を繋ぎ合わせて、これらの延長線から、掘進方向前方の地盤での切羽断面を模した円における振動の変動箇所２３ａ’を予測するようになっている。また、例えば予測された振動の変動箇所２３ａ’を、境界線表示部３１によって結合線２３ｂ’で結ぶことにより、切羽面よりも掘進方向前方の地盤の土質分布を、容易に判定できるようになっている。

これらによって、本第１実施形態のシールド掘進機による土質分布の判定方法によれば、シールドトンネルを構築する際に、簡易な構成によって、カッターヘッド１３で切削中の切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの状況を、リアルタイムで面的に精度良く把握することができると共に、把握された切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの状況から、切羽面よりも掘進方向前方の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃの土質分布を、容易に判定することが可能になる。

また、本発明の好ましい第２実施形態に係るシールド掘進機による土質分布の判定方法は、上述の第１実施形態の土質分布の判定方法に用いたものと同様の切羽土質分布の識別システム１０を使用して、構築後のシールドトンネルの周囲の地盤の土質分布を判定するための方法として採用されたものである。

すなわち、本第２実施形態の土質分布の判定方法では、コンピュータ２０は、図１に示すように、地質実績図作成部３３を備えており、地質実績図作成部３３は、振動データ表示部２２によって表示された、各々の掘進スパンにおける複数の円周方向の切削振動分布２２による切削振動データを、切羽断面を模した円の鉛直方向に複数に分割し（図示せず）、分割した各領域の左右の切削振動データの平均値から、コンター表示による鉛直方向振動分布を得て、得られた各々の掘進スパン毎の鉛直方向振動分布を、シールド掘進機による掘進方向に連接させることで、地質実績図３４を作成するようになっており（図７参照）、作成した地質実績図３４によって、シールドトンネル３５の外周部分の地盤の土質分布を判定するようになっている。

そして、本第２実施形態の土質分布の判定方法では、作成した地質実績図３４を、好ましくは周囲の地盤のボーリング柱状図から得られた地質縦断図３６における、シールド掘進機による掘進箇所に重ね合わせて表示して、シールドトンネル３５の外周の地盤の土質分布を判定できるようになっている。

本第２実施形態のシールド掘進機による土質分布の判定方法によっても、シールドトンネルを構築する際に、簡易な構成によって、カッターヘッドで切削中の切羽面の地盤の状況を、リアルタイムで面的に精度良く把握することができると共に、把握された切羽面の地盤の状況から、シールドトンネル３５の外周部分の地盤の土質分布を精度良く判定することが可能になる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、振動データ記憶部によって記憶される切削振動データは、回転角度毎の振動加速度である必要は必ずしも無く、振動周波数や、振動の振幅等であっても良い。振動データ表示部によって表示される円周方向の切削振動分布は、回転角度毎の振動加速度の分布である必要は必ずしも無く、振動周波数や振動の振幅等の切削振動データによる切削振動分布であっても良い。これらの切削振動データによる切削振動分布であっても、振動の変動箇所から、切羽面の地盤における異なる土質の境界部分を容易に判別することが可能である。

また、補助加速度センサーは、隔壁の背面部分以外の、その他のシールド本体の内側壁面に取り付けて用いることもできる。補助加速度センサーは、必ずしも必要ではなく、切削振動データの切削時振動分布は、本体部振動データによってノイズや機械震動を取り除いた状態で表示させる必要は必ずしも無い。さらに、境界線表示部は必ずしも必要ではなく、シールド掘進機は、泥土圧式以外の、泥水式等の、その他の種々の密閉型のシールド掘進機であっても良い。

以下、実施例により、本発明の現し梁の耐火構造をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

〔実施例１〕
表１に示す工事概要で施工されるシールド工事において、図１に示す切羽土質分布の識別システム１０と同様の識別システムを採用して、振動データ記憶部によって記憶された回転角度毎の切削振動データとして、好ましくは振動加速度（切削時の地盤応答加速度）を、シールドトンネルを構成するセグメントによる各リング分の掘進スパンについて各々採取し、採取された切削振動データから振動データ表示部によって表示された、切羽断面を模した円の円周方向に分布する切削振動分布に基づいて、切羽断面内で切削振動データを鉛直方向に評価することで、図７に示すような地質実績図３４を表現した。

すなわち、各リングにおける振動加速度の計測値を、切羽断面（φ２．３６ｍ）の鉛直方向に例えば１５分割し、左右の平均値（分割した各領域内の全ての計測値の平均値）を計算してデータを整理したうえで、得られた振動加速度の平均値を、計測レンジ０〜２１００galでコンター表示することによって地質実績図３４を作成し、図７に示すように、作成した地質実績図３４を、周囲の地盤のボーリング柱状図から得られた地質縦断図３６に、シールドトンネル３５の掘進場所に応じて重ね合わせた。

図７に示す地質実績図３４を詳細に観察すると、同じ断面内でも鉛直方向で計測値に大きな差異が見られる。これは、礫質土の特徴ともいえ、加速度センサーが取り付けられたカッタービットが礫部を掘削するときに、大きな応答値を示すからである．一方、図７の※１の部分では、礫質土の中でも、断面内の鉛直方向の差異が小さい。これは、礫質土層の地盤形成時に河川堆積物である礫が、山部ではなく、谷部に堆積したものと推測でき、きわめて興味深い結果となっている。

〔実施例２〕
実施例１と同様に、表１に示す工事概要で施工されるシールド工事において、シールドトンネルを構成するセグメントによる各リング分の掘進スパンについて得られた、切羽断面を模した円の円周方向に分布する複数の切削振動分布に基づいて、これらの切削振動分布が、掘進方向先端側の複数の掘進スパンで掘進方向に変位してゆく傾向から、切羽面よりも掘進方向前方の地盤の土質分布を予測して判定した。

すなわち、図８に示すように、例えば図７の※２に示す、掘進方向先端側のＮo.１２６〜Ｎo.１３４のリングに対応する複数の掘進スパンの切削振動分布における、同等の振動加速度の変動箇所を、掘進方向に繋ぎ合わせて、その延長線から、例えば３ｍ前方の地盤の土質分布を予測した。Ｎo.１２６のリングでは、切羽面の略上半部分が礫質土、略下半部分が砂質土となっており、切羽面の掘進の進捗とともに、上部から礫質土の割合が多くなっている。予測された３ｍ前方の地盤の切羽面では、上部の２／３程度が礫質土と判定されている。

図９は、掘進方向先端側のＮo.１２６〜Ｎo.１３４のリングから予測された、３ｍ前方のＮo.１３７のリングに対応する掘進スパンを実際に掘削した際に、加速度センサーによる計測値から得られた円周方向に分布する切削振動分布を示すものである。図９に示す切削振動分布では、切羽面の上部の２／３程度に大きな振動加速度を確認することができ、図８の予測の結果は、実際の切羽面の断面構成におおよそ合致している判定することができる。

１０ シールド掘進機による切羽土質分布の判別システム
１１ シールド掘進機
１２ 切羽面
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 切羽面の地盤
１３ カッターヘッド
１３ａ センターシャフト
１４ 加速度センサー
１５ シールド本体
１６ カッタービット
１６ａ 最も外周部分に配置されたカッタービット
１７ 隔壁
１８ 補助加速度センサー
１９ 隔室
２０ コンピュータ
２１ 振動データ記憶部
２２ 振動データ表示部
２３ 円周方向の切削振動分布
２３ａ 振動の変動箇所
２３ｂ 結合線
２４ ディスプレイ
２９ 伝送システム
３０ 運転管理室
３１ 境界線表示部
３２ 前方土質分布判定部
３３ 地質実績図作成部
３４ 地質実績図
３５ シールドトンネル
３６ 地質縦断図

Claims (3)

1. カッターヘッドの外周部分に取り付けられた加速度センサーと、該加速度センサーと接続されたコンピュータとを含む、切羽土質分布の判別システムを備えるシールド掘進機による土質分布の判定方法であって、
   前記コンピュータは、前記加速度センサーから送られる、前記カッターヘッドに設けられたカッタービットによって切羽面を切削する際の切削振動データを、前記カッターヘッドの所定の回転角度毎に記憶させる振動データ記憶部と、該振動データ記憶部によって記憶された前記回転角度毎の切削振動データを、切羽断面を模した円の円周方向に分布する切削振動分布として表示させる振動データ表示部とを備えており、
   前記振動データ記憶部によって記憶される回転角度毎の切削振動データを、シールドトンネルを構成するセグメントによる各リング分の掘進スパンについて各々採取して、前記振動データ表示部によって前記切羽断面を模した円の円周方向に分布する切削振動分布として表示させ、表示された前記切羽断面を模した円の円周方向の切削振動分布における、振動の分布の傾向が明らかに変化する箇所である振動の変動箇所から、切羽面の地盤の前記切羽断面における異なる土質の境界部分を判別し、且つ周辺の地盤の柱状図、又は排土された切削土砂の性状を参照することによって、判別された層構成の各層の土質を判別するシールド掘進機による土質分布の判定方法。
2. 前記コンピュータは、境界線表示部を備えており、該境界線表示部は、前記振動データ表示部によって表示された複数の前記切羽断面を模した円の円周方向の各々の切削振動分布における、一対の振動の変動箇所を結んだ結合線を、切羽面の地盤の前記切羽断面における異なる土質の境界部分として表示させる請求項１記載のシールド掘進機による土質分布の判定方法。
3. 前記コンピュータは、前方土質分布判定部を備えており、該前方土質分布判定部は、前記振動データ表示部によって表示された、前記切羽断面を模した円の円周方向の切削振動分布における振動の変動箇所の位置が、掘進方向先端側の複数の掘進スパンで掘進方向に変位してゆく傾向から、切羽面よりも掘進方向前方の地盤の土質分布を判定する請求項１又は２記載のシールド掘進機による土質分布の判定方法。