JP6926058B2

JP6926058B2 - 掘進機の前方探査方法および掘進機

Info

Publication number: JP6926058B2
Application number: JP2018237031A
Authority: JP
Inventors: 中黒　憲一; 憲一中黒
Original assignee: Ｎ．Ｊｅｔエンジニアリング株式会社
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: JP2020097868A

Description

本発明は、掘進機の前方探査技術に関する。

地中を掘進する掘進機が障害物（例えば、コンクリート、鋼材、岩盤など）に遭遇した場合、掘進方向前方に位置する当該障害物を切断・除去した後に、掘進が再開される。こうした際に障害物を適切に切断・除去するためには、障害物の大きさ、形状、位置および種類を適切に把握すること（以下、前方探査とも呼ぶ）が重要となる。下記の特許文献１は、そのような前方探査技術を採用した掘進機を開示している。この掘進機では、地中内で障害物に向かってジェット水流を噴射し、その噴射に基づく障害物の破砕音を検出することにより、障害物の大きさ、形状、位置および種類を判断できる。

具体的には、ジェット水流を噴射する噴射ノズルが設けられたカッタ面板を回転させながら、噴射ノズルからジェット水流が噴射される。その際、カッタ面板の回転に応じて、噴射ノズルの前方での障害物の有無が変化すると、破砕音も変化する。このため、障害物の大きさ、形状および位置を特定することができる。また、破砕音から得られる音響検出信号の波形パターンや振幅レベルに基づいて、障害物の種類（例えば、コンクリート、鋼材など）を特定することもできる。こうして得られた障害物の情報に基づいて、障害物の切断・除去計画が策定される。

特開２００２−８１２８９号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、障害物の内部構造まで特定することができなかった。例えば、障害物が鉄筋コンクリートである場合、特許文献１の技術では、障害物の表面をジェット水で破砕することによって、障害物がコンクリートであるとの判断は可能であったが、ジェット水はコンクリートの内部まで深く進入しないので、鉄筋コンクリートであるか否かまでは特定することができなかった。無筋コンクリートと鉄筋コンクリートとでは、切断のための運転パラメータが異なるので、これらの特定を誤ると、適切な切断が行えず、切断工事をやり直す必要が生じ得る。

このようなことから、障害物の内部構造を特定することができる前方探査技術が求められる。また、前方探査によって周囲の地盤が陥没することを防止することが望ましい。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の第１の形態によれば、掘進機の前方探査方法が提供される。この方法は、カッタ面板を回転させつつ、カッタ面板に設けられた噴射ノズルから研磨材を含むアブレイシブジェット水を掘進方向前方に向けて噴射する噴射工程と、アブレイシブジェット水の噴射に基づく反射音を検出する検出工程と、を備えている。

かかる掘進機の前方探査方法によれば、障害物に対してアブレイシブジェット水を噴射することによって、前方探査を行うことができる。したがって、単なる水を噴射する場合と比べて、障害物の内部の深い位置までアブレイシブジェット水が進入することができる。その結果、障害物の内部構造についても特定することが可能である。

本発明の第２の形態によれば、第１の形態において、掘進機の前方探査方法は、さらに、噴射ノズルを径方向に第１の位置から第２の位置へ移動させる移動工程を備えている。噴射工程は、第1の位置にある噴射ノズルからアブレイシブジェット水を噴射する工程と、第２の位置にある噴射ノズルからアブレイシブジェット水を噴射する工程と、を備えている。かかる方法によれば、径方向の複数の位置からアブレイシブジェット水を噴射することができるので、障害物の位置および形状の特定精度を向上させることができる。あるいは、設置する噴射ノズルの数を低減することができる。

本発明の第３の形態によれば、第１または第２の形態において、アブレイシブジェット水は、さらに地盤改良材を含む。かかる形態によれば、アブレイシブジェット水の噴霧によって周囲の地盤が緩んで陥没することを防止できる。

本発明の第４の形態によれば、掘進機が提供される。この掘進機は、回転可能に構成されたカッタ面板と、カッタ面板に設けられた、研磨材を含むアブレイシブジェット水を噴射するための噴射ノズルと、アブレイシブジェット水の噴射に基づく反射音を検出する検出センサと、を備えている。掘進機は、カッタ面板を回転させつつ、噴射ノズルからアブレイシブジェット水を掘進方向前方に向けて噴射し、反射音を検出するように構成される。かかる掘進機によれば、第１の形態と同様の効果を奏する。

本発明の第５の形態によれば、第４の形態において、掘進機は、噴射ノズルを径方向に移動させる移動部を備える。かかる形態によれば、第２の形態と同様の効果を奏する。

本発明の第６の形態によれば、第４または第５の形態において、アブレイシブジェット水は、さらに地盤改良材を含む。かかる形態によれば、第３の形態と同様の効果を奏する。

本発明の一実施形態による掘進機の概略正面図である。掘進機の構成を示す概略図である。障害物に対してアブレイシブジェット水を噴射する様子を示す説明図である。障害物に対してアブレイシブジェット水を噴射する様子を示す説明図である。

図１は、本発明の一実施形態による掘進機１０の概略正面図である。図２は、掘進機の構成を示す概略図である。掘進機１０を使用した掘進において、掘進機１０が障害物４０に遭遇すると、まず、後述する前方探査によって、障害物４０の大きさ、形状、位置および種類が特定される。次いで、その結果に基づいて、障害物４０の切断計画が策定される。次いで、障害物４０の周囲の地盤について地盤改良が行われた後、切断計画に基づいて障害物４０の切断が行われる。

図１に示すように、掘進機１０は、回転可能に構成されたカッタ面板２０を備えている。カッタ面板２０には、複数のカッタ２１が設けられている。径方向最外方のカッタ２１は、いわゆるゲージカッタであり、そのゲージカッタよりも径方向内方に存在するカッタ２１は、いわゆる切削ビットである。

カッタ面板２０には、さらに、複数の噴射ノズル２２〜２５が設けられている。本実施形態では、噴射ノズル２２〜２４は、径方向に並ぶように配置されている。噴射ノズル２２，２３は、障害物４０を切断するための超高圧ジェット水（例えば、２４５ＭＰａ）を噴射するために設けられている。噴射ノズル２４は、障害物４０を切断する前に周囲の土壌を改良するための地盤改良材を噴射するために設けられている。

噴射ノズル２５は、前方探査を行うために、研磨材を含むアブレイシブジェット水５１を噴射するために設けられている。前方探査において、アブレイシブジェット水５１は、切断時よりも低い超高圧（例えば、１００ＭＰａ）で噴射される。本実施例では、研磨材としてガーネットを使用している。ただし、研磨材は、特に限定されるものではなく、例えば、珪砂、シリコンカーバイト、銅スラグ、鋳鉄グリットなどであってもよい。アブレイシブジェット水５１には、さらに、分散媒としてポリマーを含んでいてもよい。ポリマーの添加により、噴射ノズル２５からの噴射後のジェット水流の収束性が改善される。本実施例では、アブレイシブジェット水５１は、さらに、地盤改良材を含んでいる。地盤改良材は、例えば、珪酸ナトリウム溶液とセメントミルクとの混合物であってもよく、あるいは、珪酸ナトリウム溶液と硬化剤溶液との混合物であってもよい。なお、噴射ノズル２５は、障害物４０の切断にも使用されてもよい。

掘進機１０は、噴射ノズル２５を移動させる移動部２６を備えている。移動部２６は、アクチュエータ（図示省略）によって、噴射ノズル２５を径方向に移動させる。噴射ノズル２５は、径方向の任意の位置に停止することができる。噴射ノズル２５の移動方向は、噴射ノズル２２〜２４が並ぶ方向と直交している。

図２に示すように、カッタ面板２０の後方には、チャンバ２７を形成する隔壁２８が設けられている。隔壁２８には、検出センサ２９が設けられている。検出センサ２９は、本実施形態では、加速度センサであり、圧電セラミックス素子を備えている。検出センサ２９は、圧電セラミックス素子の圧電効果によって振動加速度に比例した電気信号を発生させる。この検出センサ２９は、先方探査において、障害物４０に向けてアブレイシブジェット水５１を噴射した際の反射音を検知するために設けられている。

掘進機１０は、中央制御室３０の操作者によって操作される。その中央制御室３０には、音響モニタ装置１１と、スピーカ１２と、オシロスコープ１３と、表示装置３１と、が設けられている。検出センサ２９から出力される音響検出信号、すなわち、アブレイシブジェット水５１を噴射した際の反射音を表す信号は、音響モニタ装置１１の周波数バンドパスフィルタ（図示せず）で処理され、スピーカ１２によって音声に再変換される。これによって、オペレータは、音響を聞くことができる。また、音響検出信号は、波形を可視化するために、オシロスコープ１３に表示される。

かかる掘進機１０の動作について説明する。掘進機１０が障害物４０に遭遇すると、まず、前方探査が行われる。前方探査は、上記特許文献１に記載されているように公知であり、ここでは、概要のみ説明する。前方探査は、掘進機１０の掘進方向への進行を停止された状態で行われる。噴射ノズル２５は、例えば、径方向における最も外側の位置に配置される。そして、噴射ノズル２５からアブレイシブジェット水５１を掘進方向前方に噴射させつつ、カッタ面板２０が１回転される。このときのカッタ面板２０の回転速度は、障害物４０を切断するときのカッタ面板２０の回転速度よりも大きく、例えば、１００ｍｍ／ｍｉｎである。

次いで、移動部２６によって、噴射ノズル２５が所定距離（例えば、１０ｃｍ）径方向内側に移動される。次いで、噴射ノズル２５からアブレイシブジェット水５１を掘進方向前方に噴射させつつ、カッタ面板２０が１回転される。このように、噴射ノズル２５を所定距離移動させる工程と、アブレイシブジェット水５１を噴射させつつ、カッタ面板２０を１回転させる工程とが、噴射ノズル２５が径方向における最も内側の位置に配置された状態でアブレイシブジェット水５１を噴射させつつ、カッタ面板２０を１回転させるまで繰り返し行われる。

これらの工程において、アブレイシブジェット水５１の噴射に基づく反射音を音響診断することにより、前方探査が実現される。具体的には、表示装置３１には、噴射ノズル２５の位置が表示される。音響検出信号の波形パターンや振幅レベルは、障害物４０の硬さとの間で一定の対応関係が認められるので、表示装置３１でのノズル位置の表示を確認しながら、スピーカ１２から放出される音響を聞くことによって、あるいは、オシロスコープ１３の波形を見ることによって、障害物４０が何であるかをリアルタイムで判断できる。表示装置３１には、音響検出信号に基づいて決定される障害物４０の大きさ、形状および種類、または、それらの一部が、ノズル位置とともに表示されてもよい。

上述した掘進機１０によれば、先方探査において、噴射ノズル２５から、従来のような単なる水ではなく、研磨材を含むアブレイシブジェット水５１を噴射するので、障害物４０の内部の深い位置までアブレイシブジェット水５１が進入することができる。したがって、障害物４０の内部構造についても特定することが可能である。例えば、図３に示すように、障害物４０が、Ｈ鋼４２が埋め込まれたコンクリート４１である場合、従来の単なる水を噴射する方式では、ジェット水は、コンクリート４１の表面を破砕することはできるものの、Ｈ鋼４２まで到達することができなかった。一方、本実施形態の掘進機１０によれば、Ｈ鋼４２が前方に存在する位置で噴射されたアブレイシブジェット水５１ａは、Ｈ鋼４２で到達することができる。このときに得られる反射音と、Ｈ鋼４２が前方に存在しない位置で噴射されたアブレイシブジェット水５１ｂに基づく反射音と、では音響特性が異なるので、掘進機１０は、コンクリート４１の中に鋼材が埋め込まれていることを判断することができる。

同様に、図４に示すように、障害物４０が、鉄筋４３（主筋４３ａおよび帯筋４３ｂ）が埋め込まれたコンクリート４１である場合、主筋４３ａが前方に存在する位置で噴射されたアブレイシブジェット水５１は、主筋４３ａまで到達することができる。このときに得られる反射音と、主筋４３ａが前方に存在しない位置で噴射されたアブレイシブジェット水５１ｂに基づく反射音と、では音響特性が異なるので、掘進機１０は、コンクリート４１の中に鋼材が埋め込まれていることを判断することができる。鋼材がＨ鋼４２であるのか、鉄筋４３であるのか（あるいは、主筋４３ａであるのか、帯筋４３ｂであるのか）は、音響変化パターンに基づいて鋼材の大きさおよび形状を特定できるので、当該大きさおよび形状から判断することができる。

このように、障害物４０の内部構造まで把握することによって、より適切な施工計画を策定することができる。障害物４０のうちの、Ｈ鋼４２や鉄筋４３が存在する箇所を切断するときのカッタ面板２０の回転速度は５．０ｍｍ／ｍｉｎに設定され、Ｈ鋼４２や鉄筋４３が存在しない箇所を切断する際のカッタ面板２０の回転速度は、１５．０ｍｍ／ｍｉｎに設定される。このように、障害物４０の内部構造に応じた回転速度を設定することで、効率的な速度で、かつ、確実に障害物４０を切断することができる。

また、掘進機１０によれば、噴射ノズル２５が径方向に移動可能に構成されているので、噴射ノズル２５を細かいピッチで径方向に移動させ、それぞれの移動位置で上述の前方探査を行うことにより、障害物４０の形状、大きさ位置および種類を精度良く把握することができる。あるいは、前方探査用に多数の噴射ノズルを設ける必要がない。なお、前方探査の噴射ノズルは、移動不能であってもよく、また、その数も任意に設定することができる。

また、掘進機１０によれば、前方探査において噴射されるアブレイシブジェット水５１には土壌改良材が含まれるので、アブレイシブジェット水５１の噴霧によって周囲の地盤が緩んで陥没することを防止できる。

以上、本発明のいくつかの実施例について説明してきたが、上記した発明の実施例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の組み合わせ、または、省略が可能である。例えば、アブレイシブジェット水５１は、研磨材を含まず、土壌改良材を含んでいてもよい。かかる構成によっても、前方探査において周囲の地盤が緩んで陥没することを好適に防止できる。

１０…掘進機
１１…音響モニタ装置
１２…スピーカ
１３…オシロスコープ
２０…カッタ面板
２１…カッタ
２２，２３…噴射ノズル（切断用）
２４…噴射ノズル（土壌改良用）
２５…噴射ノズル（前方探査用）
２６…移動部
２７…チャンバ
２８…隔壁
２９…検出センサ
３０…中央制御室
３１…表示装置
４０…障害物
４１…コンクリート
４２…Ｈ鋼
４３…鉄筋
４３ａ…主筋
４３ｂ…帯筋
５１，５１ａ，５１ｂ…アブレイシブジェット水

Claims

掘進機の前方探査および障害物切断方法であって、
前記掘進機の掘進方向前方に障害物が位置する状態において、カッタ面板を第１の回転速度で回転させつつ、該カッタ面板に設けられた第１の噴射ノズルから研磨材を含むアブレイシブジェット水を前記掘進方向前方に向けて第１の圧力で噴射する噴射工程と、
前記アブレイシブジェット水の噴射に基づく反射音を検出して、前記反射音の音響特性に基づいて前記障害物の内部構造を特定する特定工程と、
前記カッタ面板を前記第１の回転速度よりも遅い第２の回転速度で回転させつつ、前記第１の噴射ノズル、または、前記カッタ面板に設けられた、前記第１の噴射ノズルとは異なる第２の噴射ノズルから超高圧ジェット水を前記掘進方向前方に向けて、前記第１の圧力よりも高い第２の圧力で噴射して、前記障害物の切断を行う切断工程と
を備える掘進機の前方探査および障害物切断方法。
請求項１に記載の掘進機の前方探査および障害物切断方法であって、
前記第１の噴射ノズルを径方向に第１の位置から第２の位置へ移動させる移動工程を備え、
前記噴射工程は、前記第１の位置にある前記第１の噴射ノズルから前記アブレイシブジェット水を噴射する工程と、前記第２の位置にある前記第１の噴射ノズルから前記アブレイシブジェット水を噴射する工程と、を備える
掘進機の前方探査および障害物切断方法。
請求項１または請求項２に記載の掘進機の前方探査および障害物切断方法であって、
前記アブレイシブジェット水は、さらに地盤改良材を含む
掘進機の前方探査および障害物切断方法。
掘進機であって、
回転可能に構成されたカッタ面板と、
前記カッタ面板に設けられた、流体を噴射するための少なくとも１つの噴射ノズルと、
前記流体の噴射に基づく反射音を検出する検出センサと
を備え、
カッタ面板を第１の回転速度で回転させつつ、前記少なくとも１つの噴射ノズルのいずれかから前記流体としての、研磨材を含むアブレイシブジェット水を掘進方向前方に向けて第１の圧力で噴射し、前記検出センサによって前記反射音を検出して、前記掘進機の掘進方向前方に位置する障害物の内部構造を前記反射音の音響特性に基づいて特定し、前記カッタ面板を前記第１の回転速度よりも遅い第２の回転速度で回転させつつ、前記少なくとも１つの噴射ノズルの少なくとも１つから前記流体としての超高圧ジェット水を前記掘進方向前方に向けて、前記第１の圧力よりも高い第２の圧力で噴射して、前記障害物の切断を行うように構成された
掘進機。
請求項４に記載の掘進機であって、
前記少なくとも１つの噴射ノズルを径方向に移動させる移動部を備える
掘進機。
請求項４または請求項５に記載の掘進機であって、
前記アブレイシブジェット水は、さらに地盤改良材を含む
掘進機。