JPH06240983A

JPH06240983A - シールド機における切羽監視装置

Info

Publication number: JPH06240983A
Application number: JP2654293A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Inada; 義和稲田; Michio Itaba; 通夫板場; Toshitsugu Horisaki; 敏嗣堀崎; Kimimasa Tanimoto; 公正谷本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Tobishima Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Tobishima Corp
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 1994-08-30

Abstract

(57)【要約】【目的】ゆるみや崩壊の発生をすぐ検知し、その領域
を把握することにより切羽の安定状態を表示可能とした
シールド機の切羽監視装置を得る。【構成】２台の電磁波レーダ３，４からのレーダ信号
とカッターヘッド２の回転角度信号を解析表示装置８に
取り込み、上記２台の電磁波レーダ３，４のレーダ信号
からテルツァギーのゆるみ理論式を用いて２次元の地山
境界を得て、さらにカッターヘッド回転角度により３次
元展開し立体表示をしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土圧式あるいは泥水式
などの密閉型シールド機における切羽監視装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】シールド機を用いるトンネル掘削工法に
あっては、最近では、切羽圧力を保持したり切羽の安定
を確保するため、土圧式や泥水式などの密閉型シールド
機が用いられる。この密閉型シールド機では、隔壁によ
り切羽とシールド機内とが隔絶されるため、掘削してい
る切羽の状況を目視することができない。したがって、
切羽の安定状態は、隔壁に取付けた圧力計の計測値に、
土圧式シールド工法にあってはスクリューコンベアの回
転数や掘削土砂の密度の各測定値、泥水式シールド工法
にあっては排泥水の比重や流量などから換算した掘削土
砂の値、を加味して間接的にではあるが管理されてい
る。この場合、隔壁に取付けた圧力計の測定値の管理に
あっては、局所的なボーリングデータについて土圧の理
論式から下限値が決められているので、ボーリングデー
タと異なる地質においては、ゆるみや崩壊により切羽が
不安定となっても圧力が下限値を下回らないという事態
が生ずる。また、泥水式における掘削土砂量の換算値に
ついては、掘削して取込んだ土砂を測定することにより
得ているので、リアルタイムに切羽状況を管理すること
は不可能であり、切羽が不安定な状態になっても即時に
対応することができない。

【０００３】このため、掘削している切羽の状況を把握
する新たな方法として、シールド機の外殻天端部やカッ
ターヘッド前面あるいは周面に電磁波レーダを取付け、
地中に向ってパルス状の電波を発信してその反射波を受
信し、反射波の中から地山境界に当る反射成分を抽出
し、この反射成分の発射から受信までの伝播時間により
ゆるみや崩壊の発生を知り、切羽の状況を把握する方法
がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、シールド機
本体の外殻天端部に電磁波レーダを取付けた場合には、
シールド機前方の切羽の状況が不明となり、また、電磁
波レーダの設置位置は、シールド機先端より少なくとも
カッターヘッドの厚さ分後方位置となるので、シールド
機前面天端部に発生するゆるみや崩壊を検知するために
は、その発生後しばらくの間はシールド機を掘進させる
必要があり、ゆるみや崩壊の発生と検知に時間差が生ず
る。

【０００５】また、カッターヘッド前面に電磁波レーダ
を取付けた場合には、シールド機天端部に電磁波が発射
されないため、切羽天端部の状態が不明となる。また、
カッターヘッド周面に電磁波レーダを取付けた場合に
は、今度はシールド機前方の切羽の状態が不明となる。
更に、カッターヘッドの前面と周面との２箇所に電磁波
レーダを取付けた場合には、シールド機天端部及び前方
の信号が得られるが、この両レーダからの信号を表示上
並べただけとか交互に表示しただけでは、ゆるみや崩壊
の領域全体を明確に把握できない。

【０００６】本発明は、上述の問題に鑑み、ゆるみや崩
壊の発生を瞬時に検知できると共に、領域全体を一目瞭
然に把握することにより、シールド切羽の安定状態をリ
アルタイムにかつ明瞭に表示・記録することができるシ
ールド機の切羽監視装置の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、回転駆動して地山を掘削するカッターヘッド
と、このカッターヘッド背面にチャンバー空間を形成す
る隔壁と、を有するシールド機において、上記カッター
ヘッドの前面外周部及び外周側面部それぞれに備えた地
中レーダと、上記カッターヘッドの回転角を得る信号発
生器と、上記地中レーダと信号発生器とに接続されレー
ダ信号及び回転角信号を解析・表示する解析表示器と、
を有し、この解析表示器では、上記レーダ信号により得
られた距離からカッターヘッド前面天端部及び前方部に
放物線及び対数ら線からなる２次元の地山境界線を求め
ると共に、この２次元の地山境界線を回転角信号による
回転角ごとに３次元展開して立体表示を行なうようにし
た、ことを特徴とする。

【０００８】

【作用】ゆるみや崩壊はシールド機の前面天端部を中心
に発生するため、カッターヘッド前面外周部とカッター
ヘッド外周側面に電磁波レーダを取付けており、この各
々の電磁波レーダの信号から各レーダ前方又は上方の地
山境界までの距離を求め、ゆるみの理論式を用いて前面
天端部では放物線、前方部では対数ら線の地山境界線を
計算表示して、この地山境界線をカッターヘッドの回転
に伴って連続的に得ることによりゆるみや崩壊により生
ずる空洞や低密度領域と地山との境界の３次元形状を得
ることができ、ゆるみや崩壊の規模や現状が的確に把握
できることになる。

【０００９】

【実施例】ここで、図を参照しつつ本発明の実施例を説
明する。図１は切羽監視装置を搭載した密閉型シールド
機の全体を示すものである。図１において、密閉型シー
ルド機１は、前面に回転駆動して地山を掘削するカッタ
ーヘッド２を有している。このカッターヘッド２の前面
外周部と外周側面部には、それぞれ電磁波レーダ３，４
が設置されている。また、回転駆動するカッターヘッド
２と固定状態にあるシールド機１内部とはスリップリン
グ６を介して電気的に接続されている。更に、カッター
ヘッド２の回転軸部には回転角を得るためのロータリエ
ンコーダ５が備えられている。このロータリエンコーダ
５及び電磁波レーダ３，４は、機内制御部７，解析表示
装置８に順に接続され、この解析表示装置８では電磁波
レーダ３，４による反射波受信信号が距離信号に変換さ
れて地山境界線が求められ、ロータリエンコーダ５によ
る回転角が地山境界線の三次元展開のパラメータとな
る。

【００１０】図２はカッターヘッド２に取付けた電磁波
レーダ３，４の構造を示している。すなわち、電磁波レ
ーダ３，４は、例えば１ｎsec の高周波電磁パルスを地
中に向けて発射するダイポールアンテナ９を有し、更に
地中からの反射波を受信するダイポールアンテナ１０を
有する。この場合、発射パルス幅を例えば１ｎsec とし
たのは、探査精度を向上させて、数cm〜数十cmまでの小
さな空隙や密度の不連続面を識別するためである。電磁
波レーダ３，４のアンテナ９，１０は、掘進中の土圧や
水圧の影響を防ぐべく、電磁波放射面に電磁波を透過し
土圧、水圧に対して十分な強度と水密性を有する例えば
ＦＲＰ樹脂からなる保護板１１にて保護され、全体が保
護箱１２に収められている。そして、本例では水密性を
高めるため箱１２内にシリコン１４を充填してある。ま
た、レーダ３，４から放射された電磁波がレーダ背面に
もれ、カッターヘッド内部やシールド機内部で反射して
雑音として受信されることを防止するため、箱の内面に
フェライトなどの電波吸収体１３を張り付けてもよい。

【００１１】図３は、アンテナ部及び機内制御部７の内
部ブロック図である。アンテナ部には送信アンテナ（ダ
イポールアンテナ）９及び受信アンテナ（ダイポールア
ンテナ）１０を有し、これらはそれぞれ高周波増幅器や
周波数変換用サンプリング回路を備えた送信部９ａ，受
信部１０ａに接続され、これら送信部９ａ，受信部１０
ａはスリップリング６を介して機内制御部７に接続され
る。機内制御部７は、レーダ受信信号であるアナログ信
号とデイジタル信号とのＡ／Ｄ変換装置７ａを有し、他
方ロータリエンコーダ５の回転角をカッターヘッド回転
角に変換するカウンタ７ｂを有し、これら受信信号や回
転角度を解析表示装置８の指令で伝送する通信装置７ｃ
を有する。更には、解析表示装置８からの命令によりＡ
／Ｄ変換，カウント，伝送を制御するボードコンピュー
タも存在する。したがって、解析表示装置８は、機内制
御部７にデータの伝送を指示し、伝送されてきたデータ
を解析して必要なデータを抽出した後、計算処理を行な
い結果を表示する。

【００１２】こうして、送信アンテナ９を有する電磁波
レーダは、シールド機掘進中例えば２０ｍsec の一定間
隔にて電磁波パルスを放射する。他方、解析表示装置８
から計測開始の命令が生ずると、機内制御部７のボード
コンピュータの制御部によって回転駆動されるカッター
ヘッド２の回転角度信号に応じて、例えば１°ピッチで
ダイポールアンテナ１０にて受信した波形を機内制御部
７に取り込み、Ａ／Ｄ変換した後解析表示装置８に伝送
する。

【００１３】次に、アンテナによる受信信号と解析表示
装置８による距離の計算につき説明する。シールド機の
掘削に対して地山のゆるみや崩壊は後述の如く図４に示
すように発生し、電磁波レーダ３，４の働きにより距離
Ｌ₁，Ｌ₂を算出する必要がある。この算出に先立ち、
受信のタイミングを計測する必要がある。図５におい
て、１７は放射された電磁波の保護板１１からの反射波
であり、１８が地山のゆるみや崩壊により発生する空隙
や密度の低い領域と地山との境界面（地山境界面）から
の反射波であり、保護板１１からの反射波のピークと地
山境界からの反射波のピークとの時間差ｔが得られる
と、距離Ｌは次式〔数１〕にて得られる。

【００１４】

【数１】ここで、Ｃは空気中での電磁波伝播速度、εは実験や過
去の実績により事前に求めておいた電磁波が伝播する領
域の比誘電率である。この結果、カッターヘッド前面外
周部と外周側面部それぞれのレーダ３，４により地山境
界１５までの距離Ｌ₁，Ｌ₂が求まる。

【００１５】レーダ３，４にて求めた距離Ｌ₁，Ｌ₂は
レーダ３，４と地山境界の一点との間の距離であり、レ
ーダ３，４の反射波によって求めた地山境界の空隙やゆ
るみがどのような形状１５を有するか否か明確でない。
このためにテルツァギーのゆるみ理論式によって平面
（２次元）の地山境界線１５を求める。このゆるみ理論
式は、図６にて示すようにシールド機１の前面天端部で
は、放物線で仮定される領域Ａのゆるみ領域内の土の重
量を等分布荷重ｑに置き換え、領域Ｂにおいて対数ら線
のすべり面を仮定して中心Ｏにおけるモーメントの釣合
により、シールド機による切羽保持荷重Ｐを求めるもの
である。本例では、電磁波レーダ３，４による反射波に
より距離Ｌ₁，Ｌ₂が求まるため、領域Ａ，Ｂにて地山
境界線が次のように得られる。すなわち、領域Ａにて、ゆるみ領域が放物線であること。ゆるみ領域の幅をαＢとすること。レーダ中心位置でのゆるみ領域までの距離をＬ₁とす
ること。また、領域Ｂにて、すべり面が対数ら線であること。すべり面はシールド機下端を通ること。レーダ中心位置でのゆるみ領域までの距離をＬ₂とす
ること。以上の結果、距離Ｌ₁，Ｌ₂により放物線と対数ら線か
らなる地山境界線が得られる。

【００１６】次に、本実施例ではエンコーダ５による回
転角について、回転角１°ずつ受信信号を得ることとし
ているため、各１°ずつ距離Ｌ₁，Ｌ₂が求まり、１°
ずつ地山境界線が得られることになる。かかる関係を図
７にて示す。カッターヘッド２の回転位置としてレーダ
３，４の位置が最も上部にあるとき、ゆるみ領域Ａ，Ｂ
は図７（ａ）に示すような地山境界線からなる面が得ら
れ図７（ｂ）のＹ断面として得られる。ついで、カッタ
ーヘッド２が回転した場合レーダ３，４の位置が最上部
よりずれると、その位置での距離Ｌ₁，Ｌ₂が得られ、
ゆるみ領域Ａ，Ｂは図７（ｂ）の例えばＺ断面として得
られる。また、カッターヘッド２の回転がレーダ位置最
上部より手前にあるときにも、ゆるみ領域Ａ，Ｂは図７
（ｂ）に示すＸ断面として得られる。このようにして、
カッターヘッド２の各回転角度毎に（例えば１°ピッチ
に）ゆるみ領域Ａ，Ｂを求めることにより３次元の地山
境界を得ることができる。なお、図７においてはレーダ
位置に垂直な断面内においてゆるみ領域Ａ，Ｂを求めた
が、シールド機中心軸を含む平面上にて各回転角度毎に
ゆるみ領域Ａ，Ｂを求めてもよい。

【００１７】解析表示装置８では３次元の空隙がこのよ
うにして得られることになり、表示をすることができる
が、表示に当っては、図８に示すようにカッターヘッド
前面での空隙形状（断面ａ），カッターヘッド前面より
前方にある距離おいた面での空隙形状（断面ｂ，ｃ）を
任意に決めて表示でき、この結果、図９に示すように地
山境界を３次元的に表示できて把握することができる。

【００１８】また、探査データの蓄積により、ゆるみや
崩壊の領域と地表面沈下の関係を明確にすれば、地山境
界までの距離の管理限界値を設定できるので、カッター
ヘッド１回転毎に図１０に示すように地山境界の測定結
果と対比して切羽の安定管理限界線１６を表示すること
により、切羽安定管理をリアルタイムに行える。さら
に、図１０は切羽の安定状態を定量的に表しているため
に、測定結果に応じて泥水式シールドならば排泥流量の
制御、土圧式シールドならばスクリューコンベア回転数
の制御を行うことにより切羽安定の自動制御が可能とな
る。尚、ダイポールアンテナは送受信が一体のアンテナ
で行えるものであっても問題ない。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば次の
ような効果を有する。１）シールド機のカッターヘッド前面外周部と周面部に
取り付けた２台の電磁波レーダの信号にゆるみの理論式
を用いることにより地山境界面の３次元形状を常時監視
できるために、発生するゆるみや崩壊の領域が把握でき
るため、それに応じた対策を速やかに講じることがで
き、切羽安定管理の信頼性が向上する。２）探査データの蓄積により、ゆるみや崩壊の領域と地
表面沈下の関係を明確にして、地山境界までの距離の管
理限界値を設定することにより、泥水式シールドならば
排泥流量の制御、土圧式シールドならばスクリューコン
ベア回転数の制御を行うことにより切羽安定の自動制御
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例のシールド機の断面図。

【図２】カッターヘッドでの電磁波レーダの構造図。

【図３】アンテナ部と機内制御部のブロック図。

【図４】地山境界と距離Ｌ₁，Ｌ₂との関係図。

【図５】受信信号波形図。

【図６】ゆるみ理論式の適用図。

【図７】回転角度毎のゆるみ領域の説明図。

【図８】表示方法の説明図。

【図９】表示例の説明図。

【図１０】安定管理限界線の説明図。

【符号の説明】

１シールド機２カッターヘッド３，４電磁波レーダ５エンコーダ６スリップリング７機内制御部７ａＡ／Ｄ変換ボード７ｂカウンタボード７ｃ通信ボード８解析表示装置９，１０アンテナ１１保護板１２保護箱１３電波吸収体１４シリコン１５地山境界１６切羽の安定管理限界線１７電磁波の保護板からの反射波１８電磁波の地山境界面からの反射波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀崎敏嗣東京都千代田区三番町２番地飛島建設株式会社内 (72)発明者谷本公正兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転駆動して地山を掘削するカッターヘ
ッドと、このカッターヘッド背面にチャンバー空間を形
成する隔壁と、を有するシールド機において、上記カッターヘッドの前面外周部及び外周側面部それぞ
れに備えた地中レーダと、上記カッターヘッドの回転角を得る信号発生器と、上記地中レーダと信号発生器とに接続されレーダ信号及
び回転角信号を解析・表示する解析表示器と、を有し、この解析表示器では、上記レーダ信号により得られた距
離からカッターヘッド前面天端部及び前方部に放物線及
び対数ら線からなる２次元の地山境界線を求めると共
に、この２次元の地山境界線を回転角信号による回転角
ごとに３次元展開して立体表示を行なうようにした。こ
とを特徴とするシールド機における切羽監視装置。