JPH07113867A

JPH07113867A - トンネル工法における前方異常物体の自動検知方法

Info

Publication number: JPH07113867A
Application number: JP25738993A
Authority: JP
Inventors: Shogo Tanaka; 正吾田中; Yukihiro Terada; 幸博寺田; Masao Kinoshita; 正生木下
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 1995-05-02
Anticipated expiration: 2013-12-09
Also published as: JP2834393B2

Abstract

(57)【要約】【構成】トンネルの掘削に際して、前方の地中内に埋
設されている除去すべき異常物体を、超音波を使用し
て、自動的に検知する方法であって、まず予測し得る異
常物体の受波信号波形をモデル化するとともに、このモ
デル化された予測受波信号波形と実際の受波信号波形と
のパターン・マッチングを行い、破砕可能な石などの通
常埋設物体と異常物体とを区別する方法である。【効果】モデル化された予測受波信号波形と、実際に
埋設されている異常物体からの受波信号波形とのパター
ン・マッチングを行うようにしているので、石などの通
常埋設物体と異常物体とを確実に区別することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル工法における
前方異常物体の自動検知方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】地下鉄工事、電力ケーブルなどの埋設工
事を行う際のトンネル工法においては、トンネル掘削機
により地下トンネルが掘削される。このとき、掘削機前
方に掘削不可能な寸法の岩石、地下構造物、地上建築物
の基礎杭、建築後に地中に残された鋼材、コンクリート
塊などが存在し、それに気づかずに掘削を続けると、掘
削機が破損するだけでなく、それらの除去や掘削機の修
理のために工期の大幅な遅れが生じる。

【０００３】このため、従来、掘削機前方に埋設する異
常物体の位置を検知するために、例えば超音波センサが
使用されており、掘削機の前面に設けられた音波発振器
から超音波が発射され、そして異常物体で反射された反
射波を検出することにより、異常物体の検知が行われて
いた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常、地中
には、破砕が困難な除去すべき異常物体の他に、破砕可
能な大小の石が散在しており、上記の超音波センサによ
ると、このような、大小の石まで検知してしまうととも
に、従来におけるような反射波の受波時刻だけを包絡線
形状により検出する方式では、雑音のため誤差が大きく
なったり、または複数の異常物体がある場合には、１つ
の異常物体だけしか認識できなかったりして、実際に除
去すべき異常物体の位置を正確に検知することができな
いという問題があった。

【０００５】そこで、本発明は上記問題を解消し得るト
ンネル工法における前方異常物体の自動検知方法を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のトンネル工法における前方異常物体の自動
検知方法は、トンネルの掘削に際して、前方の地中内に
埋設されている除去すべき異常物体を、音波を使用し
て、自動的に検知する方法であって、まず予測し得る異
常物体の受波信号波形をモデル化するとともに、このモ
デル化された予測受波信号波形と実際の受波信号波形と
のパターン・マッチングを行い、破砕可能な石などの通
常埋設物体と破砕が困難な異常物体（例えば、掘削刃が
破損するような物体）とを区別する方法である。

【０００７】

【作用】上記の構成によると、実際の受波信号波形を、
モデル化された異常物体の予測受波信号波形とパターン
・マッチングすることにより、異常物体を判断するた
め、異常物体であることを確実に検知することができ
る。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図１１に基
づき説明する。本発明の要旨は、トンネル掘削機により
トンネルを掘削するに際して、前方地中内に埋設されて
いる除去すべき異常物体（例えば、掘削不可能または掘
削が困難なな岩石、地下構造物、地上建築物の基礎杭、
建築後に地中に残された鋼材、コンクリート塊など）
を、超音波を使用して、地中に散在する破砕可能な石な
どの通常埋設物体と自動的に区別する方法である。

【０００９】通常、観測点（ｘ_j ，ｙ_j ，ｚ_j ）と異常
物体までの距離ｓ_j を知るには、異常物体に当たり反射
してきた波が、観測点にある受波器に受波される時刻、
つまり受波時刻を知ればよい。このとき、送波時刻と受
波時刻の時間差の半分（１／２）に、土中の音速を乗じ
れば異常物体までの距離が算出される。なお、このとき
の異常物体までの距離の算出に当たり、最小二乗法が用
いられる。

【００１０】ここで、異常物体までの距離の算出の仕方
について説明する。まず、前方の異常物体までの距離に
ついて複数個のデータがあるときの、異常物体の位置を
求める場合について考える。

【００１１】すなわち、トンネル掘削機前面のカッター
面に、１個の送波器といくつかの受波器を取り付け、さ
らに適当な距離（１ｍ程度）を掘削して進む毎に何回か
観測を行う場合を考える。このとき、観測数だけ前方の
異常物体に関して、距離データが得られる。具体的な距
離に関しては、送波してから、異常物体からの反射波を
受波するまでの時間の半分（１／２）に土中の音速を乗
じることにより求められる。

【００１２】いま、掘削機の進行方向をｘ軸、これに垂
直なカッター面の方向をｙ軸およびｚ軸とし、原点をｘ
軸上の適当な点におく。このとき、異常物体からの反射
波がＭ個の地点（以後、観測点と呼ぶ）（ｘ_j ，ｙ_j ，
ｚ_j ）（１≦ｊ≦Ｍ）で受信され、上述した方法で異常
物体までの距離ｓ_j （１≦ｊ≦Ｍ）が求められたとす
る。

【００１３】このとき、異常物体の位置を（ｘ，ｙ，
ｚ）と表せば、次式が成り立つ。

【００１４】

【数１】

【００１５】ところで、ｓ_j （１≦ｊ≦Ｍ）には測定誤
差が含まれているので、一般的には上式を満たす解
（ｘ，ｙ，ｚ）は求まらない。したがって、上述したよ
うに、最小二乗法により算出することが合理的である。

【００１６】このためには、適当な最適化手法により、
下記(2) 式を（ｘ，ｙ，ｚ）について最小化すればよ
い。

【００１７】

【数２】

【００１８】上記(1) 式の３個の方定式を用いて、
（ｘ，ｙ，ｚ）の近似解を得、これを初期値に最適化手
法を用いると、最適解が容易に求まる。このようにし
て、異常物体までの距離が得られるが、このとき受波信
号中、いずれの箇所が異常物体からの反射波であるか、
正確に検出することが重要である。しかし、遠方の異常
物体を検出するためには、使用する音波の周波数を非常
に低く（例えば数ｋＨｚ程度）する必要があることか
ら、他の異常物体からの反射波と重なり合うこと、およ
び散在する大小の石などによる散乱波の影響などによ
り、異常物体からの正確な受波時刻を検出することが困
難となる。

【００１９】そこで、本実施例においては、異常物体か
らの反射波のモデル化を考えることにより、外乱に影響
されにくい反射波の高精度な受波時刻の検出方法を提案
するものである。

【００２０】この反射波の予測モデル作成に当たって
は、まず送波器および受波器の特性を考慮する必要があ
る。つまり、送信器は電気信号を音圧信号に、受信器は
音圧信号を電気信号に変換する変換器(transducer)であ
り、共に超音波振動子を有している機構は殆ど同一であ
り、これら入出力関係はそれぞれ二次減衰振動系モデル
で表現することができる。

【００２１】また、送波器より送られた音圧信号が地中
を伝播して受波器に戻ってくる迄に時間がかかるので、
上記２つの二次減衰振動系に、この伝播時間を考慮した
無駄時間要素も直列に入れる必要がある。

【００２２】すなわち、図１のブロック図に示すよう
に、直接観測できる送波器電気信号、受波器電気信号を
音波伝播系の入出力と見なせば、これら入出力間には、
下記のような伝達関数が介在すると考えることができ
る。なお、図１中、［Ｇ₀ （ｓ）］は音波と外乱との相
互作用を表す。

【００２３】

【数３】

【００２４】ここで、ζ_i ^j，ω_i ^j（（１≦ｉ≦２）がそ
れぞれ二次減衰振動系の減衰係数、固有角振動数であ
る。これら減衰係数や固有角振動数は、音響振動子の形
状、材質およびこれにつながる電気回路の特性だけでな
く、振動子が接している土面の状況や質にも影響される
ことになり、これらは観測点毎に値の変わり得る未知パ
ラメータとみなす必要がある。

【００２５】さらに、無駄時間要素の無駄時間Ｔ_j は、
異常物体からの反射波の受波時刻であり、これら未知パ
ラメータは一括して、以下に述べる二つの波形ベクトル
のマッチングをみることにより、各観測点毎に求められ
るものである。なお、(5) 式のゲインＫ_j は波形のマッ
チングにおいては意味を持たないので、考慮しない。ま
た、本モデル化においては、検知システムのオンライン
化をも考慮するため、地中での波形歪は無視して取り扱
うようにしている。

【００２６】よって、送波器に入力する電気信号をｕ
(t) とすると、受波器に出力される電気信号は次式で求
められる。

【００２７】

【数４】

【００２８】ここで、Ｌ^-1はラプラス逆変換を、またＵ
(s) はｕ(t) のラプラス変換を表す。本実施例では、送
波電気信号として、

【００２９】

【数５】

【００３０】を考える。ここで、ｐは波数で、本実施例
では２≦ｐ≦５の範囲とする。(6) 式により、受波器で
得られる異常物体からの反射波がモデル化されたので、
次に各観測点でモデル波形と受波器に実際に受波される
受波信号（電気信号）波形とのマッチング度を調べるこ
とが必要になる。

【００３１】これを行うには、各観測点で得られる受波
信号（電気信号）を、開始時刻をＴ _j ＝ｋΔＴとするウ
インドウ［ｋΔＴ，（ｋ＋Ｎ−１）ΔＴ］で切り取り、
これと(6) 式で与えられる（同一ウインドウ内での）予
測受波信号波形とのパターンマッチング度を、受波時刻
Ｔ_j ＝ｋΔＴをパラメータとして変えつつ評価すればよ
い。

【００３２】ここで、ΔＴはデータを収録するときのサ
ンプリングタイムである。ところで、減衰係数、固有角
振動数ζ_i ^j，ω_i ^j（１≦ｉ≦２）は未知なので、各Ｔ_j
に対しパターン・マッチングが最適に行われるよう、こ
れらのパラメータを最適調整する必要がある。

【００３３】このパターン・マッチング度については、
幾何学的に理解しやすい二つの波形ベクトル間の角度を
採用することができ、この角度を最小化するには、計算
時間を節約するためPowell法を用いる。

【００３４】この二つの波形ベクトル間の角度である
が、まず当該受波器から得られる実際

【００３５】

【外１】

【００３６】（ｋ＋Ｎ−１）ΔＴ］で切り取ったものを
次のような数ベクトルで表示する。

【００３７】

【数６】

【００３８】これはＮ次元ベクトルであり、時刻ｋΔＴ
から（ｋ＋Ｎ−１）ΔＴまでの実際の受波信号波形に対
応する。勿論、ウインドウ幅としては、異常物体からの
反射波波形の全容が把握できる程度の幅を考える。

【００３９】次に、(6) 式のモデルに基づいて計算され
る波形に対しても、同一ウインドウ幅の波形ベクトル

【００４０】

【数７】

【００４１】を考える。このとき(8) および(9) 式で定
義される二つの時間波形ベクトルの角度は次式で与えら
れる。

【００４２】

【数８】

【００４３】よって、各Ｔ_j ＝ｋΔＴに対し、(9) 式を
最大化するようPowell法により、パラメータω_i ^j，ζ_i ^j
（１≦ｉ≦２）を調整すれば、各Ｔ_j における最適マッ
チング角度θ_j ^# _,kが得られる。

【００４４】そして、異常物体からの反射波であるか否
かの判定には、この最適マッチング角度をある適当に定
められたしきい値ρと比較し、θ_j ^# _,k≦ρが満足される
か否かを考えればよい。

【００４５】この条件を満たすｋをｋ^# とすれば、ｋ^#
ΔＴが異常物体からの反射波の受波時刻であると判定で
きる。したがって、この操作を、各観測点で得られる受
波信号波形に対して行えば、各観測点から異常物体まで
の音波の往復時間が求まる。そして、この往復時間の半
分（１／２）の時間に音速を乗じることにより、各観測
点から異常物体までの距離が得られる。

【００４６】このように、予測し得る異常物体の受波信
号波形をモデル化するとともに、このモデル化された予
測受波信号波形と、実際に埋設されている異常物体から
の受波信号波形とのパターン・マッチングを行うように
なし、しかもこのパターン・マッチングはPowell法の最
適マツチング角度に基づいて行うようにしたので、石な
どの通常埋設物体と異常物体とを、簡単にかつ確実に区
別することができる。

【００４７】上記の説明では、一つの異常物体からの反
射波のモデル化を行ったが、複数個の異常物体からの反
射波のモデル化も重要である。また、掘削機に近い異常
物体をまず検出することが重要であり、遠距離にある異
常物体については、近距離の異常物体が検出された後で
検出すればよい。

【００４８】次に、二つの異常物体がある場合について
説明する。このような場合のモデル化が行われていれ
ば、掘削機に極めて近い異常物体（勿論、一個と仮定し
てもよい）の検出が可能となる。

【００４９】これは、カッタ面に取り付けられている送
波器より、掘削機の胴体部分の共振またはカッタ面直前
の土中を迂回して、受波器に直接送波信号が伝播してく
るためである。

【００５０】この二つの異常物体からの反射波(6) 式
を、下記(11)および(12)式に示す二つのウインドウ

【００５１】

【数９】

【００５２】に対して求め、これらを足し合わせた合成
ウインドウＷ_j ＝Ｗ_j ¹∪Ｗ_j ²上での予測波形と、同一ウ
インドウＷ_j 上での実波形とのパターン・マッチングを
評価する。勿論、各ウインドウ上で予測波形を作成する
ときのパラメータはそれぞれ未知であるため、上述した
ように、合成予測波形ベクトルと実波形ベクトル間の角
度が最小になるように、各Ｔ_j ¹，Ｔ_j ²に対して未知パラ
メータが求められる。

【００５３】こうして求まった最適マッチング角度が適
当なしきい値を超したときに、当該Ｔ_j ¹，Ｔ_j ²で二つの
受波信号を得たと判定する。ここで、本実施例で説明し
たモデル波形により、実際の異常物体からの反射波がど
の程度良好にパターン・マッチングできるか、媒質が地
中に比べ均一である無響水槽にて実験を行った結果につ
いて述べる。なお。実験に用いた水槽は、図２に示すよ
うに、縦、横、深さが４ｍ、５ｍ、４ｍの無響水槽であ
る。

【００５４】図２に示すように、この水槽１の一方の端
に、送波器（送波用音響センサ）２および受波器（受波
用音響センサ）３を１個ずつ、他方の端に、送受波器
２，３から３ｍ離して、異常物体として厚さが９ｍｍ、
縦、横が２ｍの鋼板４を配置した。

【００５５】そして、送波信号と受波信号が重なり合わ
ないように、送波器２に入力する電気信号の周波数は６
ｋＨｚとした。勿論、送波信号は正弦波であり、波数ｐ
は１から５まで変化させた。受波データの収録に際して
は、サンプリング周波数を１００ｋＨｚ、つまりサンプ
リング・タイムをΔＴ＝１０μｓとした。なお、参考の
ために、波数ｐが３の場合の受波信号（電気信号）波形
を図３に示す。

【００５６】上述した伝播モデルおよび異常物体の位置
検出方法の有効性を確認するために、各波数の場合に対
し、それぞれウインドウをずらし実際の時系列データと
モデルによる予測時系列データとのパターン・マッチン
グを考えてみる。但し、ウインドウ幅Ｎとして、送波信
号の波数１から５までに応じ、それぞれ１２０，１５
０，１８０，１８０，１８０を採用した。

【００５７】各々の波数の場合に対し、それぞれウイン
ドウをシフトしたときの最小の最適マッチング角θ₁ ^#
_,k# およびそのときの受波時刻Ｔ₁ ^#＝ｋ^# ΔＴ、さら
に、２０℃における水中での標準音速１４８０ｍ／ｓを
用いて計算した異常物体までの距離を［表１］に示す。
但し、送波時刻を０とした。

【００５８】

【表１】

【００５９】［表１］より、波数が特に３以上の場合に
対してはマッチングが良くとれていることがわかる。ま
た、いずれの波数の場合にも、異常物体である鋼板４ま
での距離はほぼ３ｍとなり、鋼板４までの距離が非常に
正確に求められていることが分かる。

【００６０】参考のために、図４および図５に、波数が
３の場合の最適マッチング角θ₁ ^# _,kの推移および最小の
最適マッチング角を与える時刻ｋ^# ΔＴでの推定パラメ
ータ（ω₁ ¹＝３２．９，ζ₁ ¹＝７．２６×１０^-2，ω₂ ¹
＝４３．８，ζ₂ ¹＝１．２２×１０^-1）に基づく受波電
気信号の予測波形を示す。上記角周波数ω₁ ¹，ω₂ ¹に対
応する周波数はそれぞれ５．２４ｋＨｚ，６．９７ｋＨ
ｚであり、（水中で周波数特性を求めたときの）送波
器、受波器の共振周波数５．５〜５．７ｋＨｚに非常に
近く、上述した物理的考察の妥当性を裏付けるととも
に、図３および図５より、予測受波波形は実際の受波波
形（図３の４〜６ｍｓの範囲の波形）を正確に表現でき
ている様子がわかる。

【００６１】しかし図３では、異常物体からの反射波ら
しきものが０．４ｍｓ前後にも受波されていることがわ
かる。これは、後述するトンネル工事現場での受波信号
にも見られるように、送波器から媒質を通して受波器に
直接伝播してきたものに起因するものであり、異常物体
の検知時には予め反射波受波時刻の候補から除外でき
る。実際、本実験の場合の送波器と受波器の間の距離
（振動子の中心間距離）は０．６ｍで、０．４ｍｓは伝
播時間として妥当なものである。この直接伝播波にも当
然提案されたモデルは有効であり、実際、図４を見る
と、４．１２ｍｓ以外に０．４０ｍｓ付近でも、一箇所
だけ最適マッチング角が特に小さくなっている。さら
に、これらの極値付近ではマッチング角度が急峻に変化
しており、異常物体からの反射波受波時刻が高感度に、
しかも正確に検出されることがわかる。なお、図４の描
き方であるが、受波信号、予測信号波形とも紡錘形の正
弦波状関数なので、予測信号波形のウインドウをシフト
すると、半周期毎にマッチングが良好になり、またその
途中ではマッチングが悪化する。これを詳細に描くと見
にくくなるとともに、重要なことは小さい最適マッチン
グ角を見い出すことであるから、図４では最適マッチン
グ角が小さくなる箇所を滑らかに結んで描いている。こ
れは後述の土中実験での図９および図１１の描き方でも
同様であるが、特に図１１では、極値が１個しか現れな
いため最適マッチング角度が最小になる時刻付近の形状
を正確に描いている。これらの図から、最小値を与える
時刻が高感度に求まることが改めて理解できる。なお、
これに関連し、Powell法によりマッチング角度の最小化
を図る際の未知パラメータω_i ^j，ζ_i ^j（１＜ｉ＜２）の
最適値近傍での振る舞いであるが、データ分析によると
最小化すべき評価関数はパラメータについて凸関数的で
あり、最小値が容易に求まり、他の極小値に収束し受波
時刻の誤差になることが無いことが判明した。

【００６２】次に、実際にトンネル工事現場で採取した
地中（土中）のデータを用いて、上述した伝播モデルの
有効性を調べた。図６にこのときの地中データの採取状
況を、また図７に掘削機１１のカッター面１２での送波
器１３、受波器１４の配置状態を示す。なお、工事現場
の土質は洪積世の砂質土である。

【００６３】データ採取に際しては、送波器１３に入力
する電気信号の周波数は、比較的遠方までの異常物体が
検知できるように、２．４ｋＨｚを選び、また波数ｐは
５とした。異常物体としては、掘削機の最初の位置から
１２．３ｍ前方に垂直なコンクリート壁１５を設け、
９．３ｍまで、１ｍ掘り進む毎に３個の受波器１４によ
り受波データを得た。このときのサンプリング周波数は
２５ｋＨｚ、つまりサンプリング周期はΔＴ＝４０μｓ
とした。さらに、マッチング度を調べるときのウインド
ウ幅Ｎは、水槽のときとほぼ同様な時間幅に相当するＮ
＝３００を採用した。そのときの、NO.1受波器１４Ａ，
NO.3受波器１４Ｃ（それぞれＳ₁ ，Ｓ₃ と記す）による
最小の最適マッチング角θ_j ^# _,k# およびそれを与える時
刻ｋ^# ΔＴ、並びに水中での標準音速１４８０ｍ／ｓを
用いたときの各受波器１４からの異常物体であるコンク
リート壁１５までの距離を［表２］に示す。但し、掘削
機１１のカッター面１２に取り付けた３個の受波器１４
Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの中、NO.2受波器１４Ｂは送波器１
３の近くに配置したため、その影響が現れないよう他の
二つの受波器１４Ａ，１４Ｃに比べ増幅器のゲインを小
さくした。そのため、NO.2受波器１４Ｂで得られたデー
タは使用しなかった。

【００６４】

【表２】

【００６５】［表２］に示すように、最小の最適マッチ
ング角度は無響水槽中での実験と比較して、若干大き目
の値となっている。これは、実際の地中では、水中とは
異なり、媒質が一般に不均一であるからである。音速を
水中の標準音速として算出したコンクリート壁１５まで
の距離をみると、掘削後の空洞におけるレーザ測距など
により求められた距離と同程度の値を示していることが
分かった。

【００６６】参考のため、図８に、掘削機１１からコン
クリート壁１５までの距離が１０．３ｍのときのNO.1受
波器１４Ａで得られた受波信号波形（電気信号波形）
を、また図９に、ウインドウ［ｋΔＴ，（ｋ＋Ｎ−１）
ΔＴ］内の受波波形とモデル波形とに対して求めた最適
マッチング角度θ_j ^# _,kの時間変化を予想受波時刻ｔ＝ｋ
ΔＴに対して描いたグラフを示す。

【００６７】水槽実験のときと同様、異常物体の反射波
の受波を示す時刻（１３．３６ｍｓ）以前にも、最適マ
ッチング角度が小さくなっている箇所（４．４０ｍｓ）
がみられる。これは、実験により、受波器および測定地
点によらず、常に同様な時間帯に現れることから、カッ
ター面後方の泥水チャンバー内での多重反射などに起因
するものと考えられる。

【００６８】したがって、実際の異常物体の検知に当た
っては、４ｍｓ前後に受波された受波信号は除去できる
ことになる。［表２］に示した結果は、この紡錘形の伝
播信号を除いた受波信号に基づく結果である。なお、図
８には、送波直後と２６ｍｓ付近の２箇所にも小さな反
射波らしき信号が現れているが、前者はカッター面を直
線伝播して来たもの、後者はカッター面と異常物体との
間を２往復して受波された反射波信号だと考えられる。
これらはいずれも除去可能なものである。ただ図９で
は、前者の場合はマッチング角は小となっていないが、
これは小さな伝播信号が４．４０ｍｓに始まる上述の大
きな伝播波信号に埋もれ、単一ウインドウだけでは効果
的なマッチングがとれないからである。ところが後者に
対しては、マッチング角は小さくなっており、しかもそ
の受波時刻（約２６ｍｓ）が最初の反射波受波時刻１
３．３６ｍｓのほぼ２倍になっている。更に受波信号も
小さく、反射と土中伝播を２回繰り返すという上述の考
えを裏付けるものとなっている。

【００６９】また、本実験によれば、異常物体からの反
射波と判定するための最適マッチング角度のしきい値
は、１５〜１７（度）程度にとればよいこともわかっ
た。つまり、(10)式で定義される角度でマッチングの程
度を考える場合、このレベルの値が異常物体の検知に意
味があることがわかる。勿論、θ_j,k の代わりにｃｏｓ
θ _j,k なる量（相関係数）を考えることもできるが、こ
のときも、θとｃｏｓθとの関数関係から値の増減傾向
は異なるけれども、１５〜１７（度）の余弦値に相当す
る値がしきい値として意味を持つことがわかる。なお上
記の余弦値を採用すると、マッチングの程度を表す評価
関数は、極値の付近は滑らかさが増すが、その他の箇所
では逆に傾斜が増すことになる。したがって、極値付近
がより鮮明となる利点はあるが、極値付近の値の増減傾
向が弱まり、人間が見た目には極値探索が困難となるよ
うに思われる。しかしながら、これまで述べてきたよう
に、意味のある極値付近には別の極値は存在せず、計算
機による最適化には全く問題がないと思われる。

【００７０】次に、掘削機が異常物体から１２．３ｍか
ら９．３ｍまでの４箇所でのNO.1およびNO.3受波器１４
Ａ，１４Ｃによる計８個の実測データを用いて、異常物
体を点（ｘ，ｙ，ｚ）とみなし、最小二乗法により異常
物体の位置および音速を求めてみると、最初の掘削機位
置を原点にとれば、異常物体の位置は（ｘ，ｙ，ｚ）＝
（12.13 ，-0.218，-0.004）、音速は１５１０．８ｍ／
ｓであった。

【００７１】これより、異常物体は掘削機の進行方向
に、最初の位置から１２．１３ｍの距離にあることにな
り、レーザ測距による実測値１２．３ｍに非常に近いこ
とが分かる。また、工事現場での地中の音速は、標準の
水中音速１４８０ｍ／ｓより若干速いことも分かった。
このように、標準水中音速１４８０ｍ／ｓを用いても差
し支えないが、最小二乗法により音速も変数として取り
扱えば、土質に関して余り情報が得られていない場合で
も、信頼度の高い異常物体の位置決定が可能である。

【００７２】参考のため、水中での標準音速を用いれ
ば、異常物体までの距離は１１．９０ｍとなり、若干測
定精度が劣化することがわかる。なお、さらに２ｍ堀り
進み、異常物体に幾分近くなった所のデータ、つまり異
常物体から１０．３ｍおよび９．３ｍの箇所の観測デー
タ４個を用いて、上記の方法で地中の音速も含め異常物
体の位置を決定すると、異常物体から１０．３ｍ前方の
位置を原点として音速１５０４．３ｍ／ｓ、異常物体の
位置（ｘ，ｙ，ｚ）＝（10.23 ，-0.084，0.00）が求ま
った。

【００７３】今度は、異常物体までの距離が幾分近くな
ったため、より信頼度の高い観測データが得られたもの
と思われ、異常物体の位置に関する測定誤差はわずか−
０．０７（=10.23-10.3 ）ｍとなった。また、土質の変
化に伴う若干の音速の変化も見られる。

【００７４】なお、上記説明では述べなかったが、実際
の適用に当たってはウインドウをゼロ時刻から１サンプ
リングタイムずつシフトして最適マッチング角を求める
必要はなく、受波信号の包絡線形状を利用し、異常物体
からの反射波らしきものが現れる時刻前後から最適マッ
チング角の計算を始めるようにすればよい。この異常物
体からの反射波の包絡線は紡錘形をしているので、大ま
かな見当は容易である。したがって、Powell法の高速性
と併せて、この方式ではほとんど計算時間を必要とせ
ず、オンライン使用が可能となる。

【００７５】上記の説明では、異常物体からの反射波が
他の反射波や直接伝播波と分離される比較的取扱い易い
場合を扱ったが、次に、複数個の異常物体からの反射波
が重なり合う場合の有効性を調べるため、先の土中実験
で掘削機が異常物体に近く、異常物体からの反射波が送
波器からの直接伝播波と重なり合う場合を考えてみる。

【００７６】直接伝播波も異常物体からの反射波と同様
な波形で表されることは、上述したとおりである。した
がって、この有効性が確認できれば、これまでの説明に
より、近距離異常物体の位置検知が可能になるだけでな
く、複数個の異常物体がある場合の異常物体検知も可能
となる。

【００７７】すなわち、異常物体からの距離が４．３ｍ
のときのNO.1受波器１４Ａに現れる受波信号波形と、そ
のときの最適マッチング角の推移を図１０および図１１
に示す。勿論、このときの反射波受波波形モデルは(6)
式の形の二つの波形（ウインドウを変えた）の一次結合
である。

【００７８】図１０より、単なる包絡線形状による判定
では、異常物体からの反射波は１個あるとだけしか分か
らず、しかも真の異常物体からの反射波受波時刻の決定
も困難である。ところが提案した方式（一次結合モデ
ル）では、図１１に見られるように、最小の最適マッチ
ング角度は７．４９度となり、これを与える二つの（一
次結合すべき）反射波の開始時刻は３．４０ｍｓ，５．
９２ｍｓ、つまり直接伝播波および異常物体からの反射
波の受信がそれぞれ３．４０ｍｓ，５．９２ｍｓとな
り、二つの受波信号波形は明確に分離できる。なお、図
１１の横軸は、一方のウインドウの開始時刻Ｔ¹ にとっ
てあり、他のウインドウの開始時刻Ｔ² は他の未知パラ
メータと合わせて最適化を図っている。つまり、最適マ
ッチング角を最小にする一方のウインドウ開始時刻は、
図１１より、Ｔ^1#＝３．４０ｍｓとなり、このときの他
のウインドウの開始時刻は最適化により別途Ｔ^2#＝５．
９２ｍｓ（詳細は省略）と求まる。

【００７９】よって、水中標準音速を用いて異常物体ま
での距離を算出すれば、１４８０ｍ／ｓ×（５．９２×
１０^-3／２）ｓ＝４．４４ｍとなり、レーザ測距による
実測距離４．３ｍに非常に近い値となる。一方、３．４
０ｍｓ付近から現れる他の受信波は、上述したように送
波に際し初期の時間帯に必ず現れる直接伝播信号であ
り、これについては最初から除外できる。参考のため、
図１０の受波信号の最適マッチングを実現する未来パラ
メータを示すと、直接伝播波については、ω₁ ¹＝１５．
８６，ζ₁ ¹＝０．４１８，ω₂ ¹＝１５．５１，ζ₂ ¹＝
０．０１、また異常物体からの反射波については、ω₁ ²
＝１４．３９，ζ₁ ²＝０．０４９，ω₂ ²＝１５．９１，
ζ₂ ²＝０．０１が得られた。共に角周波数については
２．３〜２．５ｋＨｚ程度の値が得られており、これら
は水中での送波器、受波器の共振周波数５．５〜５．７
ｋＨｚより小さくなっている。これは、水中より土中の
方が振動子の共振周波数が低下するということであり、
物理的にも妥当である。ちなみに、水槽中で１６ｋＨｚ
の周波数の送波信号を用いた場合にも、最適パターンマ
ッチングを実現する最適角周波数ωは、周波数が６ｋＨ
ｚのときと同様５〜６ｋＨｚ相当の値となり、水中にお
いては電気信号入力周波数の大きさによらずモデルパラ
メータはほとんど変化がない。

【００８０】実際の適用に際しいずれの波形モデルを適
用するかは、包絡線形状により単一反射波らしきもので
あれば(6) 式のモデルを、また複数個（ここでは２個）
の反射波の合成波らしきものであれば、(6) 式のモデル
を、開始時刻を変えて一次結合したものを用いることに
すればよい。参考のため、異常物体として、球状のもの
や傾斜のある鋼板なども実験してみたが、上とほぼ同様
な結果が得られた。特に、傾斜鋼板の場合には、１０度
位の傾斜までは本実験と同様（つまり、垂直鋼板と同
様）なデータが得られたが、それ以上の傾斜では、送波
器からの鋼板への最短距離点に近い点が異常物体の位置
と判定される傾向のあることがわかり、傾斜壁の場合に
も本測定システムが掘削機の事故防止に有用であること
がわかる。これは、使用周波数が低周波数であるため送
波器の指向性が余り高くないことに起因する。

【００８１】このように、本実施例で説明した異常物体
の位置検知方法は、無響水槽中および地中の実験により
有効であることが確認された。

【００８２】

【発明の効果】以上のように本発明の異常物体の自動検
知方法によると、予測し得る異常物体の受波信号波形を
モデル化するとともに、このモデル化された予測受波信
号波形と、実際に埋設されている異常物体からの受波信
号波形とのパターン・マッチングを行うようにしたの
で、破砕可能な石などの通常埋設物体と異常物体とを確
実に区別することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の自動検知方法における音波
伝播系の入出力間のブロック図を示す。

【図２】同実施例の自動検知方法の水槽実験に使用した
水槽の平面図である。

【図３】同水槽実験で得られた受波信号波形を示すグラ
フである。

【図４】同水槽実験で得られた最適マッチング角度の時
間変化を示すグラフである。

【図５】同水槽実験で得られる受波予測電気信号波形を
示すグラフである。

【図６】同実施例の自動検知方法の地中実験を示す断面
図である。

【図７】同地中実験に使用した掘削機カッター面におけ
る送受波器の配置状態を示す正面図である。

【図８】同地中実験で得られた受波信号波形を示すグラ
フである。

【図９】同地中実験で得られた最適マッチング角度の時
間変化を示すグラフである。

【図１０】同地中実験における近接異常物体に対する受
波信号波形を示すグラフである。

【図１１】同地中実験における近接異常物体に対する最
適マッチング角度の時間変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１水槽２送波器３受波器４鋼板１１掘削機１２カッター面１３送波器１４受波器１５コンクリート壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木下正生大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネルの掘削に際して、前方の地中内に
埋設されている除去すべき異常物体を、音波を使用し
て、自動的に検知する方法であって、まず予測し得る異
常物体の受波信号波形をモデル化するとともに、このモ
デル化された予測受波信号波形と実際の受波信号波形と
のパターン・マッチングを行い、通常埋設物体と異常物
体とを区別することを特徴とするトンネル工法における
前方異常物体の自動検知方法。