JP7316235B2 - 地山探査装置および地山探査方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド工法における掘進時に使用する地山探査装置および地山探査方法に関する。

シールド工法よるトンネル施工おいて、余掘り量を測定しながら掘進する場合がある。シールド工法において余掘り量を把握できれば、シールドマシンと地山との間の空隙の体積を把握できるため、適切な裏込め量を算出することができる。また、曲線を有するトンネル施工において、必要な余掘り量（クリアランス）を確保していないと、シールドマシンが地山に接触することによって、推進力の増加や、回頭性の低下が生じてしまう。そのため、シールド工法では、掘進時に余掘り量を測定し、適切な余掘り量を確保しながら掘進するのが望ましい。
シールド工法における余掘り量の測定方法として、例えば、特許文献１には、シールドマシンから地山に向けて電磁波を放射し、地山からの反射波を受信することで、反射波の受信時間に基づいて地山面までの距離を算出する方法が開示されている。
同様の方法として、電磁波に代えて超音波を使用する場合もある。例えば、特許文献２には、カッターヘッドに取り付けられた超音波受発信器により、カッターヘッド周囲の地山に向けて超音波を発信し、地山までの距離を測定する地山探査方法が開示されている。
一方、シールド工法の余掘り部分には、孔壁から崩落した土砂等が滞留している場合がある。余掘り部分に土砂などが滞留していると、超音波等が透過し難くなるため、余掘り量を高精度に測定できなくなるおそれがある。すなわち、余掘り部分の不純物により反射する反射波と、地山面により反射した反射波とが発生することにより、余掘り部分の大きさを測定し難くなってしまう。

特開平０９－２９７１７９号公報 特開２０１８－４４８４１号公報

本発明は、シールド工法におけるシールドマシンの周囲の余掘り量を高精度に測定することを可能とした地山探査装置および地山探査方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明の地山探査装置は、シールドマシンから地山に向けて水を噴射する水流発生装置と、前記シールドマシンから地山に向けて超音波を発する超音波センサーと、前記シールドマシンのスキンプレートに設けられたシャッター装置とを備えるものである。前記シャッター装置は、前記スキンプレートに形成された開口部を遮蔽する土台と、前記土台の内面に沿って摺動するシャッター部と、前記シャッター部に設けられた蓋材とを備えている。前記土台には、第一噴射用孔が貫通している。また、前記シャッター部には、第二噴射用孔と蓋材用孔とが形成されている。前記水流発生装置は、前記第二噴射用孔の内空側に接続されていて、前記シャッター部が前記土台の内面を摺動して前記第一噴射用孔と前記第二噴射用孔とが一致したときに、水を地山に向けて噴射することが可能となっている。また、前記蓋材は、前記蓋材用孔の内外方向に摺動可能に設けられていて、前記シャッター部が前記土台の内面を摺動して前記蓋材用孔と前記第一噴射用孔とが一致した際に前記蓋材の先端部が前記第一噴射用孔を遮蔽することが可能となっている。さらに、前記超音波センサーは、前記水流発生装置の噴射口の噴射方向後方に配設されていて、前記噴射口から噴射された前記水により形成された水柱内に超音波を発する。
また、本発明の地山探査方法は、前記地山探査装置を利用してシールドマシンの外面と地山との距離を測定する地山探査方法であって、シールドマシンから地山に向けて水を噴射するとともに、前記水により形成された水柱内に超音波を発し、前記超音波の反射波を受信することにより、前記シールドマシンの外面と地山との距離を測定するものである。
かかる地山探査装置および地山探査方法によれば、シールドマシンから地山面に向けて形成される水柱を利用して超音波測定を行うため、不純物による超音波の反射を抑制することができる。そのため、シールドマシンの周囲の余掘り利用を高精度に測定することができる。

前記水流発生装置は、前記シールドマシンのスキンプレートの内面に固定されているとともに、前記スキンプレートに固定された箱体により覆われているのが望ましい。このようにすれば、シールドマシンの内部への地下水などの流入を防止できる。
また、前記噴射孔を閉塞するシャッターを備えていれば、水の噴射停止時に土砂等が水流発生装置内に流入することを防止することができる。

本発明の地山探査装置および地山探査方法によれば、シールド工法におけるシールドマシンの周囲の余掘り量を高精度に測定することが可能となる。この測定結果を利用することで、適切な余掘り量による掘進が可能なるとともに、適切な裏込め量を算出することができる。

シールドマシンの概要を示す断面図である。 第一実施形態に係る地山探査装置の使用状況を示す断面図である。 水流発生装置を示す図であって、（ａ）は地山側から望む平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は内空側からの望む平面図である。 第二実施形態に係る地山探査装置を示す図であって、（ａ）は通常時の断面図、（ｂ）は測定時の断面図、（ｃ）は内空側から望む平面図である。

＜第一実施形態＞
第一実施形態では、シールド工法によりトンネルを構築する場合について説明する。図１は、シールドマシン１の概要を示す断面図である。トンネル施工は、図１に示すように、シールドマシン１により地山Ｇを削孔することで形成された掘削孔内に、シールドマシン１の後方にセグメントリングＲを連設することにより行う。シールドマシン１は、先端に設けられたカッターヘッド１１と、カッターヘッド１１の後方に設けられた本体部１２とを備えている。本体部１２は、カッターヘッド１１の動力となるモーター１４や推進ジャッキ１５等を備え、筒状のスキンプレート１３により覆われている。掘削は、スキンプレート１３と孔壁（地山Ｇ）との間に所定の大きさの隙間（余掘り部Ｓ）を確保した状態で行う。余掘り部Ｓの大きさは、本体部１２に内装された地山探査装置２により確認する。

以下、図２を参照して地山探査装置２について説明する。図２は、地山探査装置２の使用状況を示す断面図である。シールドマシン１には、複数の地山探査装置２が、周方向に所定の間隔をあけて設けられている。なお、地山探査装置２の数および配置は限定されるものではなく、適宜決定すればよい。地山探査装置２は、水流発生装置３と、超音波センサー４と、箱体５と、シャッター６を備えている。
水流発生装置３は、シールドマシン１から地山Ｇに向けて水Ｗを噴射する。水流発生装置３は、シールドマシン１のスキンプレート１３の内面に固定されている。次に、図３を参照して水流発生装置３の詳細について説明する。図３は、水流発生装置３を示す図であって、（ａ）は地山Ｇ側から望む平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は内空側からの望む平面図である。本実施形態の水流発生装置３は、図３（ｂ）に示すように、金属製の本体部３１と、給水口３２と、噴射口３３と、センサー接続部３４とを備えている。

本体部３１は、箱型の入口部３１ａと入口部３１ａから側方に延びる出口部３１ｂとからなる。入口部３１ａおよび出口部３１ｂは、中空部材であり、互いに連通している。
入口部３１ａのトンネル内空側の面（図３（ｂ）において左側面）には、給水管７を接続するための給水口３２が形成されている。給水口３２は、給水管７であるホースを取り付け可能な継手である。本実施形態の給水口３２は、外面に波型の凹凸が形成された筒状部材を入口部３１ａの下面に固定することにより形成されている。なお、給水口３２の構成（形状等）は限定されるものではなく、例えばワンタッチジョイント等、給水管７の構成（取付部の形状や給水管７の材質）等に応じて適宜決定すればよい。入口部３１ａの四つの側面のうちの一つには出口部３１ｂが接続されていて、その他の三つの側面及び地山Ｇ側の面（図３（ｂ）において左側面）は遮蔽されている。

出口部３１ｂは、入口部３１ａよりも小さい高さを有し、入口部３１ａの側面から側方に張り出している。出口部３１ｂは断面視矩形状で、平面視は直方体と半円とが組み合わされた形状（Ｕ字状）を呈している（図３（ａ）または（ｃ）参照）。出口部３１ｂの地山Ｇ側の面およびトンネル内空側の面は開口している。一方、出口部３１ｂの入口部３１ａと接続された側面以外の側面は遮蔽されている。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、出口部３１ｂの地山Ｇ側の面（図３（ｂ）において左側の面）には、水Ｗを噴射するための噴射口３３が形成されている。噴射口３３は、ノズル部材３５に形成された貫通孔である。ノズル部材３５は、出口部３１ｂの地山Ｇ側の面に、複数のビス３６により固定されている。なお、ノズル部材３５の固定方法は限定されるものではなく、例えば、出口部３１ｂ（本体部３１）溶接してもよい。また、出口部３１ｂの地山Ｇ側の面に噴射口３３を直接形成する場合は、ノズル部材３５は省略してもよい。このように、給水口３２と噴射口３３は、互いの中心線をずらした位置に形成されている。給水口３２から入口部３１ａに供給された水Ｗは、入口部３１ａ内において直角に流れを変えて出口部３１ｂへ供給される。出口部３１ｂに供給された水Ｗは、出口部３１ｂ内において直角に曲がって噴射口３３から噴射される。スキンプレート１３には、水流発生装置３の取り付け箇所に対応して、噴射用孔１６が形成されている。噴射口３３は、スキンプレート１３の噴射用孔１６に接続されている。噴射口３３から噴射された水Ｗは、シールドマシン１から地山Ｇに向けて噴射される。

図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、出口部３１ｂのトンネル内空側の面（図３（ｂ）において右側の面）には超音波センサー４を接続するためのセンサー接続部３４が形成されている。すなわち、センサー接続部３４は、噴射口３３の後方に形成されている。センサー接続部３４は、超音波センサー４を接続するためのコネクターであって、センサホルダ３７に形成されている。センサホルダ３７は、出口部３１ｂのトンネル内空側の面に、複数のビス３６により固定されている。なお、センサホルダ３７の固定方法は限定されるものではなく、例えば、出口部３１ｂ（本体部３１）に溶接してもよい。また、出口部３１ｂの内空側にセンサー接続部３４を直接形成する場合は、センサホルダ３７は省略してもよい。

超音波センサー４は、シールドマシン１から地山Ｇに向けて超音波Ｕを発する。超音波センサー４は、センサー接続部３４に取り付けられている。すなわち、超音波センサー４は、水流発生装置３の噴射口３３の噴射方向後方に取り付けられている。噴射口３３の中心軸とセンサー接続部３４の中心は、同一直線状に形成されている。図１に示すように、超音波センサー４は、噴射口３３から噴射された水Ｗ（水柱Ｗ_Ｐ）内に超音波Ｕを発して、地山Ｇ（掘削孔の孔壁面）までの距離を測定する。
箱体５は、水流発生装置３および超音波センサー４を覆った状態で、スキンプレート１３の内面に固定されている。箱体５は、シールドマシン１内への漏水を防止するカバーであり、噴射用孔１６や水流発生装置３から流出した水Ｗ等を内部にとどめることができる。箱体５には、水流発生装置３に接続する給水管７や超音波センサー４に接続するケーブル等を挿通するための貫通孔が形成されている。
シャッター６は、スキンプレート１３の外面に沿って形成されている。シャッター６は、スキンプレート１３に形成された噴射用孔１６を開閉可能に構成されていて、水Ｗの噴射を停止しているときに、スキンプレート１３の噴射用孔１６を遮蔽（噴射口３３を閉塞）する。

次に、地山探査装置２を利用して余掘り部Ｓの大きさを測定する地山探査方法について説明する。図２に示すように、本実施形態の地山探査方法は、シールドマシン１から地山Ｇに向けて水Ｗを噴射するとともに、水Ｗにより形成された水柱Ｗ_Ｐ内に超音波Ｕを発し、地山面において反射した超音波Ｕの反射波を受信することにより、シールドマシン１（スキンプレート１３の外面と地山Ｇとの距離を測定するというものである。
まず、給水管７を介して水流発生装置３に水Ｗを供給するとともに、シャッター６を開いて噴射用孔１６を開口する。シャッター６を開くことで、水流発生装置３から噴射された水Ｗが、地山Ｇに吹き付けられる。このとき、水Ｗを所定の圧力により噴射することで、水柱Ｗ_Ｐを形成する。給水管７を介して供給される水Ｗは、ポンプ（図示せず）により圧送する。水Ｗの圧力は、地下水圧よりも高くするが、水柱Ｗ_Ｐを安定的に形成できるよう、地下水圧よりも十分に高圧であることが望ましい。

シールドマシン１から地山面（掘削孔の孔壁面）に至る水柱Ｗ_Ｐを形成したら、水柱Ｗ_Ｐ中に超音波センサー４から地山面に向けて超音波Ｕを発するとともに、地山面により反射した反射波を超音波センサー４により受信する。超音波センサー４から超音波Ｕを発した時間と、超音波センサー４によって反射波を受信した時間とによる時間差により、シールドマシン１の外面と地山面（掘削孔の孔壁面）との距離を算出する。
測定が終了したら、シャッター６により噴射用孔１６（噴射口３３）を遮蔽するとともに、水Ｗの噴射を停止する。このとき、水流発生装置３による水Ｗの噴射を継続した状態で、シャッター６により噴射口３３を遮蔽することで、噴射用孔１６から水流発生装置３の内部に地下水や土砂などが流入することを防止する。シャッター６により噴射口３３を遮蔽したら、水流発生装置３への水Ｗの供給（水流発生装置３からの水Ｗの噴射）を停止する。

第一実施形態の地山探査装置２および地山探査方法によれば、シールドマシン１から地山面に向けて形成される水柱Ｗ_Ｐを利用して超音波測定を行うため、余掘り部Ｓに堆積した土砂等の不純物による超音波Ｕの反射を抑制することができる。余掘り部Ｓに土砂等が堆積している場合であっても、噴射した水Ｗによって測定範囲（超音波Ｕの発信方向）外に排除される。そのため、シールドマシン１の周囲の余掘り部Ｓの幅（余掘り量）を高精度に測定でき、ひいては、適切な裏込め注入量を算出することができ、また、曲線を有するトンネルにおいては、地山Ｇとシールドマシン１との接触を好適に防止できる。
余掘り部Ｓの測定は、スキンプレート１３の内側からシールドマシン１外に向けて行うため、カッターヘッド１１が駆動中であっても、測定をすることができる。
水流発生装置３は、シールドマシン１のスキンプレート１３の内面に固定された箱体５により覆われているため、シールドマシン１の内部への漏水を防止できる。また、水流発生装置３から水Ｗを噴射した状態でシャッター６により噴射用孔１６を遮蔽できるので、土砂等が水流発生装置３内に流入することを防止できる。
また、水Ｗの噴射停止時は、シャッター６により噴射用孔１６を遮蔽することで噴射口３３が閉塞されているため、外部から土砂等がシールドマシン１の内部へ流入することを防止できる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の地山探査装置２は、シールドマシン１の内空側においてスライドするシャッター装置６０により噴射口３３の開閉を行う点で、スキンプレート１３の外面に沿って形成されたシャッター６により噴射口３３の開閉を行う第一実施形態と異なっている。
図４に第二実施形態の地山探査装置２の概要を示す。シャッター装置６０は、図４（ａ）および（ｃ）に示すように、スキンプレート１３に形成された開口部１７に設けられている。シャッター装置６０は、開口部１７を遮蔽するように設けられた土台６１と、土台６１の内面（内空側）に沿って摺動するシャッター部６２と、シャッター部６２に設けられた蓋材６３とを備えている。

土台６１は、開口部１７と同形状の板材からなる。本実施形態の土台６１は、平面視矩形状であるが、土台６１の形状は限定されるものではない。土台６１には、第一噴射用孔６４が貫通している。
シャッター部６２は、土台６１の内面に沿って摺動する。シャッター部６２の土台６１側の面の周縁には、シール材６７が設置されている。シール材６７は、土台６１とシャッター部６２の隙間を遮蔽する。また、シャッター部６２には、第二噴射用孔６５と、蓋材用孔６６とが形成されている。第二噴射用孔６５と蓋材用孔６６は、第一噴射用孔６４と同一の平面形状を有していて、シャッター部６２の摺動方向に沿って並設されている。本実施形態のシャッター部６２の内空側には、第二噴射用孔６５側と蓋材用孔６６側との間に段差が形成されている。なお、シャッター部６２は、平板でもよく、段差は省略してもよい。

第二噴射用孔６５の内空側には、水流発生装置３（噴射口３３）が接続されている。図４（ｂ）に示すように、第二噴射用孔６５と第一噴射用孔６４とを一致させることで、水Ｗを地山Ｇに向けて噴射することが可能となる。
蓋材用孔６６には、蓋材６３が設置されている。蓋材６３は、蓋材用孔６６に内外方向に摺動可能に設けられている。蓋材６３の先端部は、蓋材用孔６６と第一噴射用孔６４とが一致した際に、第一噴射用孔６４に挿入される。蓋材６３の先端部の周面には、シール材６７が設置されていて、第一噴射用孔６４に挿入されることで、蓋材６３が第一噴射用孔６４を遮蔽する。
この他の第二実施形態の水流発生装置３、超音波センサー４の詳細は、第一実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

次に、第二実施形態の地山探査装置２を利用して余掘り部Ｓの大きさを測定する地山探査方法について説明する。
まず、給水管７を介して水流発生装置３に水Ｗを供給するとともに、シャッター装置６０を開口する。シャッター装置６０の開口は、まず、第一噴射用孔６４に先端が挿入された蓋材６３を内空側に引き込むことで第一噴射用孔６４から抜き出す。蓋材６３を第一噴射用孔６４から抜き出したら、シャッター部６２をスライドさせて、図４（ｂ）に示すように、第一噴射用孔６４と第二噴射用孔６５とを一致させることでシャッター装置６０を開口する。シャッター装置６０を開口することで、水流発生装置３（噴射口３３）から噴射された水Ｗが、地山Ｇに吹き付けられる。このとき、水Ｗを所定の圧力により噴射することで、水柱Ｗ_Ｐを形成する。給水管７を介して供給される水Ｗは、ポンプ（図示せず）により圧送する。水Ｗの圧力は、地下水圧よりも高くするが、水柱Ｗ_Ｐを安定的に形成できるよう、地下水圧よりも十分に高圧であることが望ましい。

シールドマシン１から地山面（掘削孔の孔壁面）に至る水柱Ｗ_Ｐを形成したら、水柱Ｗ_Ｐ中に超音波センサー４から地山面に向けて超音波Ｕを発するとともに、地山面により反射した反射波を超音波センサー４により受信する。超音波センサー４から超音波Ｕを発した時間と、超音波センサー４によって反射波を受信した時間とによる時間差により、シールドマシン１の外面と地山面（掘削孔の孔壁面）との距離を算出する。
測定が終了したら、シャッター装置６０（噴射口３３）を遮蔽するとともに、水Ｗの噴射を停止する。このとき、水流発生装置３による水Ｗの噴射を継続した状態で、シャッター装置６０を遮蔽することで、第一噴射用孔６４から水流発生装置３の内部に地下水や土砂などが流入することを防止する。シャッター装置６０の遮蔽は、シャッター部６２を開口するときと逆方向にスライドさせる。シャッター部６２は、蓋材用孔６６の位置と第一噴射用孔６４の位置とが一致するまでスライドさせる。蓋材用孔６６の位置と第一噴射用孔６４の位置とを一致させたら、図４（ａ）に示すように、蓋材６３を押し込んで、蓋材６３の先端を第一噴射用孔６４に差し込む。シャッター装置６０を遮蔽したら、水流発生装置３への水Ｗの供給（水流発生装置３からの水Ｗの噴射）を停止する。
第二実施形態の地山探査装置２および地山探査方法によれば、第一実施形態の地山探査装置２および地山探査方法と同様の作用効果を得ることができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、箱体５は、必要に応じて設置すればよい。また、箱体５は、各水流発生装置３を個別に覆うものでもよいし、複数の水流発生装置３を覆うものであってもよい。シャッター装置６０を有する場合で、箱体５を設置する場合はシャッター部６２とともに摺動するように設けるのが望ましい。
給水口３２を水流発生装置３の内空側に設けるものとしたが、給水口３２の形成箇所は限定されるものではなく、例えば、水流発生装置３の側面の設けてもよい。

１ シールドマシン
１３ スキンプレート
２ 地山探査装置
３ 水流発生装置
３１ 本体部
３２ 給水口
３３ 噴射口
４ 超音波センサー
５ 箱体
６ シャッター
７ 給水管
Ｇ 地山
Ｕ 超音波
Ｗ 水
Ｗ_Ｐ 水柱

Claims (2)

1. シールドマシンから地山に向けて水を噴射する水流発生装置と、
   前記シールドマシンから地山に向けて超音波を発する超音波センサーと、
   前記シールドマシンのスキンプレートに設けられたシャッター装置と、を備える地山探査装置であって、
   前記シャッター装置は、前記スキンプレートに形成された開口部を遮蔽する土台と、前記土台の内面に沿って摺動するシャッター部と、前記シャッター部に設けられた蓋材と、を備えており、
   前記土台には、第一噴射用孔が貫通していて、
   前記シャッター部には、第二噴射用孔と蓋材用孔とが形成されており、
   前記水流発生装置は、前記第二噴射用孔の内空側に接続されていて、前記シャッター部が前記土台の内面を摺動して前記第一噴射用孔と前記第二噴射用孔とが一致したときに、水を地山に向けて噴射することが可能となり、
   前記蓋材は、前記蓋材用孔の内外方向に摺動可能に設けられていて、前記シャッター部が前記土台の内面を摺動して前記蓋材用孔と前記第一噴射用孔とが一致した際に前記蓋材の先端部が前記第一噴射用孔を遮蔽することが可能となり、
   前記超音波センサーは、前記水流発生装置の噴射口の噴射方向後方に配設されていて、前記噴射口から噴射された前記水により形成された水柱内に超音波を発することを特徴とする、地山探査装置。
2. 請求項１に記載の地山探査装置を利用してシールドマシンの外面と地山との距離を測定する地山探査方法であって、
   前記水流発生装置により前記シールドマシンから地山に向けて水を噴射し、
   前記超音波センサーにより、前記水により形成された水柱内に超音波を発するとともに、前記超音波の反射波を受信することにより、前記シールドマシンの外面と地山との距離を測定することを特徴とする、地山探査方法。

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