JPH0228586A - シールド掘進機における前方及び側方監視方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ・「産業上の利用分野」 この発明は例えばトンネル、下水道等を掘進する場合に
用いる密閉型シールド掘進機の前方及び側方監視装置に
関する。

「従来の技術」 密閉型シールド掘進機は前方及び側方が密閉されるため
切羽の様子を目視することができない。

このため各種の障害物にぶつかることがある。

このようなことから障害物を予め検知し、その形状の大
小等が検知できると都合がよい。

土中において異物を検知するには地中用レーダを用いる
ことが考えられる。地中用レーダとは土中に向って電波
発信器からパルス状の電波を所定の時間間隔で発信する
と共に、反射波を受信し、その反射波のレベルの大小と
受信までの時間を計測することによって土中に異物が存
在するか否かを検知する機能を具備している。

従って密閉型シールド掘進機のカッターフェイスに地中
レーダ用のアンテナを装置すれば前方監視装置を構成す
ることができる。

「発明が解決しようとする課題」 地中用レーダを用いて密閉型シールド掘進機の前方監視
装置を構成したとすると、地中用レーダは単に地中にお
ける電波の往復時間に対応した位置に物体の像を表示す
るだけであるから地質の違いによって土の誘電率が変わ
った場合に、その誘電率の違いによって生ずる電波伝播
速度の違いから来る距離の測定誤差は避けられない。

よって単に地中レーダを転用しただけでは電波の発信タ
イミング位置から電波の往復時間に対応する量だけ離れ
た位置に受信信号の像を表示するだけで、異物までの真
の距離を知ることができない欠点がある。

また切羽面に複数の土質の層が露出されている場合に、
各層における誘電率の違いによって電波の往復時間に差
が生じ、これがために一つの異物が複数の層にまたがっ
て存在する場合は、その異物の像は複数に分断されて表
示されるため、複数の小さい異物が存在するごとき誤っ
た判断を下し、この結果大きな異物に掘進機を当て、掘
進機を破損させてしまうおそれがある。

この発明の目的は土の誘電率の違いを検出して表示する
ことができ、誘電率の違いによって生じる異物までの距
離の誤差が発生することがなく、よって異物までの距離
を正確に知ることができ、また複数の層にまたがる異物
も、一つの異物として判断することができるシールド掘
進工法における前方監視装置を提供するにある。

「課題を解決するための手段」 この発明では電波の反射の有無を検知して掘進機の進路
上に異物が存在するか否かを監視するシールド掘進工法
における前方及び側方監視装置において、 電波発信器から発信された電波の中の電波発信器と受信
器との間の土を通して直接伝播する表面伝播波をとらえ
、この表面伝播波の像を表示器に表示させることによっ
て表面伝播波の伝播時間を表示させる構成としたもので
ある。

このように表面伝播波の伝播時間を表示させることによ
って土質の違いから来る電波伝播速度に違いが生じた場
合、その電波伝播速度の違いを表面伝播波の表示によっ
て知ることができる。

また電波伝播速度の違いを知ることができることによっ
て反射画像の位置から異物の位置を正確に知ることがで
きる。

また電波伝播速度の違いが知らされることによって複数
の土質の層が存在することが解る。よって複数の層に跨
がって存在する異物を複数の小さい異物と間違えるよう
な判断を下すおそれがなく、安全に掘進作業を行なうこ
とができる。

「実施例」 第１図にこの出願の第１発明の実施例を示す。

図中１００は密閉型シールド掘進機を示す。この密閉型
シールド掘進機１００は前端にカンタ−フェース１０１
を有し、このカッターフェース１０１が回転駆動されて
切羽を掘り進む。

この出願の第１発明ではカッターフェース１０１の背面
側には電波発信器２００と受信器３００を取付ける。電
波発信器２００はパルス幅が例えばＩＮｓ程度の極く狭
いパルス状の電力を発生するパルサ２０１と、このパル
サ２０１から出力されるパルス状の電力が与えられてパ
ルス状の電波を発信するダイポールアンテナ２０２と、
ダイポールアンテナ２０２にパルス状の電力を与えるバ
ラン２０３と、ダイポールアンテナ２０２の背面側をシ
ールドし、電波がダイポールアンテナ２０２の背面側に
漏れないようにシールドするシールドカバー２０４とに
よって構成することができる。

受信器３００はダイポールアンテナ３０１と、バラン３
０２と、シールドカバー３０３と、高周波増幅器３０４
と、高周波増幅器３０４の利得を制御する利得制御器３
０５等によって構成することができる。

この例では電波発信器−２００と受信器３００の外に電
源回路４０１と、受信信号をサンプリングするサンプリ
ング回路４０２、同期回路４０３とをカンタ−フェース
１０１の背面に搭載し、スリップリング４０４を通じて
信号の授受を行ない表示器５００に受信信号と同期信号
を送り込むように構成した場合を示す。

電波発信器２００と受信器３００を構成するダイポール
アンテナ２０２と３０１は第２図に示すようにカンタ−
フェース１０１に形成した開口部に強化プラスチック板
のような電波を透過させる絶縁板１０２を嵌め込み、絶
縁板１０２の背面にダイポールアンテナ２０２及び３０
１を被着する。

電波発信器２００のダイポールアンテナ２０２の背面に
取付けたシールドカバー２０４はダイポールアンテナ２
０２から発信された電波がカッターフェース１０１の前
方にだけ発信され、背面側に漏れないようにシールドし
、空気中を伝わって受信器３００に電波が伝播しないよ
うにすることを目的として設けられる。このために材質
はより高いシールド効果が得られるフェライトが用いら
れる。

受信器３００側のダイポールアンテナ３０１にもシール
ドカバー３０３を被せている。このシールドカバー３０
３はダイポールアンテナ゛３０１が掘進方向から戻って
来る電波だけを受信するようにダイポールアンテナ３０
１の背面側をシールドすることが目的とされ、電波発信
器２００と同様にフェライト製のシールドカバーが用い
られる。

受信器３００に設けられた高周波増幅器３０４は利得制
御回路３０５によって電波の発信周期と同期して利得が
制御される。つまり電波発信器２００が電波を発信する
と、そのタイミングで高周波増幅器３０４の利得を絞り
、時間の経過と共に漸次利得を上昇させる制御を行なう
。このようにして近くで反射して来る反射波は小さい利
得の状態で増幅し、遠方で反射して来る反射波を高利得
の状態で受信し、小さいレベルの反射波も検知できるよ
うにしている。

高周波増幅器３０４で増幅した受信信号はサンプリング
回路４０２に入力される。このサンプリング回路４０２
は高周波増幅器３０４から電波の発信周期と同期して出
力される受信信号を、順次位相をずらしながら例えば２
０００点程度サンプリングし、高速度で変化する信号を
低速信号に変換する動作を行う。

このサンプリングの動作を第３図を用いて説明する。第
３図Ａは電波発信器２００が発信する電波ＴＸを示す。

電波ＴＸは周期Ｔで繰返し発信される。

第３図Ｂは高周波増幅器３０４から出力される受信信号
を示す。この発明では電波ＴＸの発信直後から受信器３
００を動作させ、切羽の表面近くを伝播して受信器３０
０に到来する表面伝播波を受信できるように構成する。

つまり従来はこの表面伝播波を受信しないように高周波
増幅器３０４の利得をＩＩＪ御しているが、この発明で
は表面伝播波を積極的に受信できるように電波の発信直
後から高周波増幅器３０４に利得を持たせるように制御
する。

第３図Ｂに示す波形ＳＦは表面伝播波の受信波形を示し
、波形ＬＦは異物からの反射波形を示す。

これら表面伝播波ＳＦと、反射波ＬＦは掘進機１００が
停止しているものとすれば、電波ＴＸの発信毎に発信時
点Ｔ。からｔｌとｔ２経過した時点で繰返し受信される
。

一方同期回路４０３では電波ＴＸが発信される毎に第３
図Ｃに示す第１鋸歯状波ＳＷ、を発生させる。更にデー
タの取込開始と同期して第１鋸歯状波ＳＷ、の周期より
例えば２０００倍程度長い周期を持つ第２鋸歯状波ＳＷ
、を発生させ、第１鋸歯状波ＳＷ、が第２ｓ！歯状波Ｓ
　Ｗ　ｔと一致する毎に第３図りに示すサンプリングパ
ルスＳＰを出力する。

このサンプリングパルスは電波ＴＸの発信毎に電波の発
信時点Ｔ０から順次τ１．τ２．τ３゜τ４・・・（τ
、〈τ２〈τ３くτ４・・・）の順に遅延量が順次大き
くなるように位相がずらされる。第１鋸歯状波ＳＷＩ　
と第２鋸歯状波ＳＷ２の周期の比を例えば１：２０００
に採ることによって電波ＴＸの発信周期Ｔを１　／２０
００の分解能でサンプリングすることができる。このサ
ンプリング動作によって受信波ＳＦ及びＬＦのように高
速度に変化する信号を低速度信号に変化することができ
、伝播時間の計測等を分解能よく行なうことができる。

このようなサンプリング動作は例えばサンプリングオシ
ロスコープ等に利用されている。

サンプリング回路４０２で低速信号に変換された受信信
号はスリップリング４０４を通じて表示器５００に受ら
れる。表示器５００には同期回路４０３から電波の発射
タイミングを表わす同期信号も送られ、表示器５００に
電波ＴＸの発信から表面伝播波ＳＦの伝播時間および反
射波ＬＦの伝播時間に対応した量を表示する。尚、第１
図に示す符号４０５はカッターフェース１０１と歯車４
０６によって結合し、カッターフェース１０１の回転角
度を外部に知らせる回転角度信号発信器を示す。この回
転角度信号発信器４０５から出力される角度信号は直接
表示器４００に入力される。

第４図に表示器５００に表示された表面伝播波ＳＦの表
示例を示す。図示するマークＭＩとＭ２は表面伝播波の
受信位置、Ｅ　＋　、Ｅ　ｚは障害物から反射して来た
反射信号Ｔ０は電波の発信位置、縦軸Ｙはアンテナ２０
２と３０１の回転角位置、横軸Ｘは時間を示す。

この画像ではカッターフェース１０１の上半部と下半部
で表面伝播波の伝播速度が異なっており、カンタ−フェ
ース１０１と対向して二つの土質層が存在することが解
る。

この画像から予想される切羽の様子を第６図に示す、カ
ッターフェース１０１の上半部を下半部に対向する土質
１’Ｗ６００と７００の各誘電率をε１と８２とした場
合、上半部と対向する土質層６００の誘電率ε１は下半
部と対向する土質層７００の誘電率ε２より小さいε１
くεアの関係となっている。

また表面伝播波ＳＦの伝播路長はダイポールアンテナ２
０２と３０１の間隔で一義的に決められ一定と見ること
ができる。

表面伝播波の伝播時間Ｔ　ｄ　＋とＴｄ、が計測できる
ことによって層６００と７００の誘電率ε、とε２を算
出することができる。つまり表面伝播波ＳＦの伝播距離
はダイポールアンテナ２０２と３０１の間隔で与えられ
るから、この伝播距離を伝播時間Ｔ　ｄ　Ｉ及びＴｄ、
によって割ることにより表示伝播波の伝播速度を求める
ことができる。

表面伝播波ＳＦの伝播速度がＶｄ、、　Ｖｄ、として求
められたとすると、各層６００と７００の誘電率ε、と
８２は、 〔但し、■。は空気中の電波伝達速度〕で求めることが
できる。

各層６００及び７００の誘電率ε１と６２が求められる
ことによって反射波を映出させるレンジに表示器５００
を切り替えた場合に第５図に示すように異物の像Ｅ、と
Ｅ２の存在が映出されたとすると、この異物の像Ｅ、と
Ｅｘは別々の物体でないことが解ることと、この異物ま
での正確な距離を知ることができる。

第７図は他の表示方法を採った場合を示す。

この例では所望の回転角度間隔で表面伝播波ＳＦと、反
射波ＬＦの波形を描かせるようにした場合を示す。この
ように表示した場合も表面伝播波ＳＦの伝播時間Ｔｄ、
とＴｄ２から層６００と７００の誘電率ε１．ε２を求
めることができるため、反射波ＬＦのタイミングで与え
られる異物の位置を正確な値に修正することができる。

第８図にこの出願の第２発明の実施例を示す。

この出願の第２発明ではシールド掘進機のカッターフェ
ース１０１の側部に電波発信器２００と受信器３００を
設け、カッターフェース１０１が回転することによって
側方の全周にわたって異物の有無を監視するように構成
したものである。図は電波発信器２００と受信器３００
の取付位置だけを示す。その他の部分は第１発明と同じ
であるからここではこれ以上の説明は省略する。

この第２発明でも表面伝播波をとらえて土中における電
波の伝播速度を測定し、この電波伝播速度からシールド
掘進機周辺の土の誘電率を算出し、土質の違いから来る
障害物までの距離の測定誤差を修正し、正しい距離を測
定できるようにした点と、障害物が異なる土質層にまた
がって配置されても、それが一つの物体であると判定す
ることができる点は第１発明と同じである。

尚第１発明で提案した前方監視装置と第２発明で提案じ
た側方監視装置を併用すれば、前方及び側方を監視する
ことができ、この結果信転性の向上が達せられることは
明らかであろう。

「発明の効果」 以上説明したようにこの発明によれば表面伝播波を利用
して切羽と対向する土の誘電率を求めることができるか
ら、この誘電率を使うことにより反射波を発生する異物
までの距離を正確に求めることができる。

また誘電率が異なる層が複数存在した場合も、その存在
を見付けることができる。よって誘電率が異なる層にま
たがって存在する物体を個々に別別の物体として見誤ま
ることはない。

よって大きな異物に掘進機を当て、掘進機を破損させる
ような事故が起きることを防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの出願の第１発明の一実施例を示すブロック
図、第２図はカッターフェースにダイポールアンテナを
取付ける実施例を説明するための正面図、第３図は第１
図に示した実施例に用いたサンプリング回路の動作を説
明するための波形図、第４図及び第５図はこの発明の実
用状態における表示の一例を説明するための正面図、第
６図は第４図及び第５図に示した表示結果が得られる土
の状態を示す断面図、第７図はこの発明による表示の変
形例を示す正面図、第８図はこの出願の第２発明の実施
例を示す配置図である。 １００・・・密閉型シールド掘進機、１０１・・・カッ
ターフェース、２００・・・電波発信器、２０４・・・
ンールドカバー、 一ルアンテナ、 一ルアンテナ、 ・・・表示器。 ２０１・・・パルサ、２０２・・・ダイボ３００・・・
受信器、３０１・・・ダイボ４０１・・・スリップリン
グ、５００ 代 理 人 才 図 τ１＜　Ｔ２　＜て３−−−− 士 図 〉（回ばζ） ＞（回ば収）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａ、シールド掘進機の前方部に設けた電波発信器
   及び受信器を具備し、電波発信器からシールド掘進機の
   前方にパルス状の電波を所定の時間間隔で発射し、その
   反射波をとらえて像として表示し、その像の有無及びの
   位置からシールド掘進機の前方に異物の有無を表示する
   と共にシールド掘進機の前部から異物までの距離を表示
   するようにしたシールド掘進工法における前方監視装置
   において、 Ｂ、上記反射波が受信される前の時点で電波発信器から
   発射された電波が切羽の表面近くを伝播して受信器に伝
   播される電波を表面伝播波としてとらえ、この表面伝播
   波の伝播時間に対応する量を表示器に表示させる機能を
   有し、上記表面伝搬波の伝搬時間からシールド掘進機前
   方の土質層の誘電率を算出することによって土質層の相
   違を検出すると同時にシールド掘進機前方の異物までの
   距離を正確に探知することを特徴とするシールド掘進工
   法における前方監視装置。
2. （２）Ａ、シールド掘進機の側方部に設けた電波発信器
   及び受信器を具備し、電波発信器からシールド掘進機の
   側方にパルス状の電波を所定の時間間隔で発射し、その
   反射波をとらえて像として表示し、その像の有無及び像
   の位置からシールド掘進機の側方に異物の有無を表示す
   ると共にシールド掘進機の側部から異物までの距離を表
   示するようにしたシールド掘進工法における側方監視装
   置において、 Ｂ、上記反射波が受信される前の時点で電波発信器から
   発射された電波がシールド掘進機の側部と対接する土の
   表面近くを伝播して受信器に伝播される電波を表面伝播
   波としてとらえ、この表面伝播波の伝播時間に対応する
   量を表示器に表示させる機能を有し、上記表面伝搬波の
   伝搬時間からシールド掘進機側方の土質層の誘電率を算
   出することによって土質層の相違を検出すると同時にシ
   ールド掘進機側方の異物までの距離を正確に探知するこ
   とを特徴とするシールド掘進工法における側方監視装置
   。