JP6342723B2

JP6342723B2 - シールド掘進機による切羽土質分布の判別システム

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Publication number: JP6342723B2
Application number: JP2014121953A
Authority: JP
Inventors: 茂樹木下; 康将外木場; 高広宇留間; 光義榊原
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2034-06-13
Also published as: JP2016003429A

Description

本発明は、シールド掘進機による切羽土質分布の判別システムに関し、特に密閉型のシールド掘進機に設けられて、切羽面の地盤の土質分布を判別可能とするシールド掘進機による切羽土質分布の判別システムに関する。

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判別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より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。

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することを可能にして、シールド掘進機の掘進管理をより安定した状態で行えるようにすることのできるシールド掘進機による切羽土質分布の判別システムを提供することを目的とする。

本発明は、回転するカッターヘッドをシールド本体の先端部に有し、カッターヘッドに取り付けられたカッタービットによって切羽面を切削しながら掘進する密閉型のシールド掘進機に設けられて、切羽面の地盤の土質分布を判別可能とするシールド掘進機による切羽土質分布の判別システムであって、前記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み、該コンピュータは、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分布の波の状態の変動箇所から、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可能としたシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム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切羽土質分布の判別システムは、前記振動データ表示部が、前記切羽断面を模した円の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。

また、本発明のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システムは、前記シールド本体の内側壁面に、前記コンピュータと接続する補助加速度センサーが取り付けられており、前記振動データ表示部は、該補助加速度センサー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、前記回転角度毎の切削振動データを、前記切羽断面を模した円の円周方向の切削振動分布として表示させることが好ましい。

さらに、本発明のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システムは、前記加速度センサーが、互いに垂直な少なくとも２方向の切削振動データを検出できるようになっており、第１の検出方向を、前記カッターヘッドの回転円周方向に沿わせ、第２の検出方向を、前記加速度センサーが取り付けられた部分の前記カッターヘッドのヘッド面と垂直な方向に沿わせて、前記カッターヘッドの外周部分に取り付けられていることが好ましい。

さらにまた、本発明のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システムは、前記加速度センサーが、前記カッターヘッドの最も外周部分に配置されたカッタービットに近接して前記カッターヘッドに取り付けられていることが好ましい。

また、本発明のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システムは、前記コンピュータは、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、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境界線表示部を備えることが好ましい。

本発明のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システムによれば、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することを可能にして、シールド掘進機の掘進管理をより安定した状態で行えるようにすることができる。

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）、（ｂ）は、振動データ表示部や境界線表示部による表示画面を例示する説明図である。

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切羽土質分布の判別システム１０は、図１に示すように、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を可能にして、例えばシールド掘進機１１が異なる土質の地盤１２ａ，１２ｂ、１２ｃの境界部分を掘進してゆく際に、一方の地盤１２ａの土質が岩盤等であって、砂質土等からなる他方の地盤１２ｂ、１２ｃの土質よりも相当程度固い硬質の地盤である場合でも、例えば先行ビットによるオーバーカット量を固い地盤１２ａの部分で増やすこと等によって、シールド掘進機１１が固い地盤１２ａ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１２ａ，１２ｂ、１２ｃの状況に応じた掘進管理をさらに安定した状態で行えるようにする機能を備えている。

すなわち、本実施形態の判別システム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においても、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１１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１２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１２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ものである。

また、本実施形態の判別システム１０は、シールド掘進機１１のカッターヘッド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を参照しながら、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させることができるようになっている。

そして、本実施形態のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム１０は、回転するカッターヘッド１３をシールド本体１５の先端部に有し、カッターヘッド１３に取り付けられたカッタービット１６によって切羽面１２を切削しながら掘進する密閉型のシールド掘進機１１に設けられて、切羽面１２の地盤１２ａ，１２ｂ、１２ｃの土質分布を判別可能とする判別システムであって、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とを含み、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とを備えている。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における分布の波の状態の変動箇所２３ａから、切羽面１２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を判別できるようになっている。

また、本実施形態のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム１０では、振動データ表示部２２は、切羽断面を模した円の円周方向の切削時振動分布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。

さらに、本実施形態のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム１０では、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、切羽断面を模した円の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。

本実施形態では、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。

本実施形態の判別システム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、プリンタから出力させたりできるようになっている。

また、本実施形態では、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と共に本実施形態の判別システム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。
になる。

また、本実施形態では、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、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、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する。また、振動データ記憶部２１は、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、カッターヘッド１３の所定の回転角度毎に記憶する。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。

また、図６（ａ）に示す切削振動分布２３の切削振動データは、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掘進スパンについて、例えば当該１リング分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、切削振動データを計測しつ続けて、５回転分の計測値の平均として得られたデータに基づくものとなっている。

そして、本実施形態によれば、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、本実施形態では、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分布の波の状態の変動箇所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、分布の波の状態の変動箇所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、本実施形態によれば、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。

これらによって、本実施形態のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム１０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を可能にして、シールド掘進機１１の掘進管理をより安定した状態で行えるようにすることが可能になると共に、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、構築される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可能になる。

また、本実施形態の判別システム１０によれば、シールド掘進機１１による掘進過程で得られた切削振動データによる、複数の掘進スパンにおける切羽面１２の地盤１２ａ、１２ｂ、１２ｃに対する円周方向の切削振動分布２３に基づいて、切羽面１２よりも掘進方向前方の地盤の土質分布を予め予測したり、シールドトンネルの外周部分の地盤の土質分布を判定したりすることも可能である。

すなわち、本実施形態によれば、例えば図６（ｂ）に示すように、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、回転角度毎の切削振動データが振動データ記憶部２１によって記憶されているので、例えば掘進方向先端側の複数の掘進スパンにおいて、円周方向の切削振動分布２３における振動の変動箇所２３ａが掘進方向に変位してゆく傾向を算定することで、算定された振動の変動箇所２３ａの変位の傾向から、切羽面よりも例えば１０ｍ先の地盤の変動箇所２３ａを予測することで、掘進方向前方の地盤の土質分布を予め容易に判定することが可能になる。

また、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円周方向の切削振動分布２３による切削振動データを、例えば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１２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ことも可能である。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も可能である。

なお、本発明は上記本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。

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

Claims

回転するカッターヘッドをシールド本体の先端部に有し、カッターヘッドに取り付けられたカッタービットによって切羽面を切削しながら掘進する密閉型のシールド掘進機に設けられて、切羽面の地盤の土質分布を判別可能とするシールド掘進機による切羽土質分布の判別システムであって、
前記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み、
該コンピュータは、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分布の波の状態の変動箇所から、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可能としたシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム。
前記振動データ表示部は、前記切羽断面を模した円の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請求項１記載のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム。
前記シールド本体の内側壁面に、前記コンピュータと接続する補助加速度センサーが取り付けられており、前記振動データ表示部は、該補助加速度センサー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、前記回転角度毎の切削振動データを、前記切羽断面を模した円の円周方向の切削振動分布として表示させる請求項１又は２に記載のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム。
前記加速度センサーは、互いに垂直な少なくとも２方向の切削振動データを検出できるようになっており、第１の検出方向を、前記カッターヘッドの回転円周方向に沿わせ、第２の検出方向を、前記加速度センサーが取り付けられた部分の前記カッターヘッドのヘッド面と垂直な方向に沿わせて、前記カッターヘッドの外周部分に取り付けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム。
前記加速度センサーは、前記カッターヘッドの最も外周部分に配置されたカッタービットに近接して前記カッターヘッドに取り付けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム。
前記コンピュータは、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、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境界線表示部を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載のシールド掘進機による切羽土質分布の判別システム。