JPH07280946A

JPH07280946A - トンネル穿孔機械における切羽前方探査装置

Info

Publication number: JPH07280946A
Application number: JP6973295A
Authority: JP
Inventors: Joseph Satter Gerhard; ヨーゼフザッテルゲルハルト
Original assignee: AMBERG MEASURING TECHNIK Ltd; AMUBERUKU MEJIYARINGU TECHNIK Ltd; AMBERG MESSTECHNIK AG; Fuji Bussan KK
Current assignee: AMBERG MEASURING TECHNIK Ltd; AMUBERUKU MEJIYARINGU TECHNIK Ltd; AMBERG MESSTECHNIK AG; Fuji Bussan KK
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 1995-10-27

Abstract

(57)【要約】【目的】ＴＢＭの連続的な堀進に関連して使われ得
る、音響（地震）波で岩層を探査するための装置を提供
する。【構成】音響（地震）を送信する送信機装置（４ａ）
および音響（地震）を受信する受信機装置（４ｂ）はト
ンネル穿孔機械（ＴＢＭ）のカッター・ホイール（６）
のフロントプレート（５）に取り付けられる。これは、
層への直接的アクセスが可能でない軟弱地面で孔掘りを
したり、又は送信機および受信機の据え付けのための孔
明け又は開口の適用の際に制御不能な水流入がある場合
に、特に有利である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、請求項１に示されると
おりに、地下構造において音響信号を使用して岩または
土層を探査するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】地下の構造において、高度に機械化され
た駆動技術、例えば、シールドマシーンと称されるトン
ネル穿孔機械（以下、ＴＢＭという）の使用が、特に大
きなプロジェクトの実現のために、本質的に重要であ
る。莫大な投資コストのために、高い掘進率が与えられ
なければならない。機械化された掘削技術が岩層の予期
せぬ変化に対して比較的柔軟に対応でないという事実の
ために、できる限り早いうちにそのような変化を発見し
て、そして適当な時期に有効的な測定を行うことが非常
に重要である。

【０００３】従来では、特別な場合において予備穿孔を
設けて後の段階で掘り出されるべき領域での層状態を探
査することが実行されていた。高コストにもかかわら
ず、予備穿孔は堀進を遅らせたり、また時間的に厳格な
又は線状の情報を与えるだけである。加えて、予備穿孔
技術を使用することによって、柔らかい土または土壌層
における堀進の場合、特に制御できない水流入の潜在的
な危険性がある。

【０００４】予備穿孔の使用を避けるために、レーダー
による非破壊的探査のシステムが開発されている。例え
ば、日本特許公開公報平５−５９８８２号（JP-OS H5-5
9882）は、ＴＢＭのカッター・ホイール内にレーダー送
受信機を設置することを提案し、そしてまた、電磁波
（MHz-範囲における信号）でＴＢＭのカッター・ホイー
ルの前にある岩層を探査することを提案している。岩の
非連続部から反射された投射信号の部分は、処理されて
そして評価される。

【０００５】このレーダー探査システムは、簡単なフィ
ールド操作という長所は別として、有用な信号の伝播が
ある種の岩層に限られているという不都合を有する。例
えば、粘土含有物を有する層（最も柔らかい土または土
壌層が粘土を含む）において、レーダー信号はいずれか
の波伝播が可能であったとしても、非常に強く吸収され
てしまい、そして信号貫通の範囲は激しく落ちることと
なる。従って、探査範囲は切羽の前方２〜３ｍが限度で
あった。

【０００６】深い探鉱試錐孔での状況において、当業者
は同様の問題に直面している。ドリルビットの前方にあ
る層を探査するために、地震の探査技術が使われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】米国特許公報第5,144,
591号は、例えば、岩層を切る場合に信号源としてドリ
ルビットを使用することを提案する。稼働するドリルビ
ットの信号（圧縮- およびせん断波信号）は、それぞれ
のセンサによって地球表面上で拾われ、ドリルビットと
当該表面の間の領域における砕かれた岩石帯の探査に使
われる。トンネルを掘るとき、ＴＢＭのカッター・ホイ
ールは、ドリルビットに対応する。しかしながらこの場
合、主な関心は、ドリルビットとセンサの間の上記領域
の類推における既に掘り出された層の探査でなく、まだ
掘り出されなければならない前方の層の探査である。

【０００８】また、ヨーロッパ特許公開公報第５００１
４２号（EP-PA 0 500 142）は、ドリルビットを信号源
として用いること、および地球表面上の信号を記録する
ことを提案する。先立って探査を与えるために、ドリル
ビットより前の層領域から戻って拡散した反射信号の採
取のための手続きを処理する特別な信号を使用すること
が、ここに追加的に開示される。ヨーロッパ特許公開公
報第５００１４２号は、この目的のために、相互相関(c
ross-correlation)、波界分離(wave-field separation)
および共通反射点想像(common reflection point imagi
ng)のようなアート処理技術の状態を用いることを直接
提案する。トンネルを掘っているときに地震源としてＴ
ＢＭのドリルヘッドまたはカッター・ホイールを使用す
ることができ、探査に対する比較データ処理を適用する
ことができるが、トンネル壁における適当な場所にセン
サを設置する点に問題が起こる。これは、特に地中の水
に耐えている地帯でトンネルを掘ることに当てはまる。

【０００９】固い岩層における実験は、ＴＢＭのドリル
ヘッドにおけるカッター・ローラーのカッティング「騒
音」が十分な帯域幅をもった信号源として使えることを
示した（トンネル探知処理に関する第３回テクニカルシ
ンポジウムでのミラーらの発表および刊行、ゴールデ
ン、コロラド、ＵＳＡ、「鉱業機械より前の地震探査に
おける最近の開発」、１９８８年）。

【００１０】柔らかい地面または土壌において、発掘プ
ロセスの間、もしあったとしても、わずかに低い頻度の
地震信号だけが発せられる。これら信号は、後の信号の
処理のためには通常何の役に立たない。

【００１１】既知の技術の不都合を回避し、そして例え
ばＴＢＭの連続的な堀進に関連して使われ得る、音響
（地震）波で岩層を探査するための装置を与えること
が、本発明の目的である。層へのダイレクトなアクセス
は、この場合必要ではない。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記の課題は、本発明に
より、トンネル穿孔機械における切羽前方領域の岩また
は土層を探査する探査装置において、すべて中央記録・
制御ユニットに連結されており、音響（地震）信号を前
方の領域に向けて送信する１つ以上の送信機装置、およ
び前方の領域の不均質部から反射した反射信号を受信す
る１つ以上の受信機装置を有し、前記送信機装置および
前記受信機装置が前記トンネル穿孔機械のドリル・ヘッ
ド・構造のフロントプレートに取り付けられたことによ
り解決される。

【００１３】また、本発明は、前記の課題を解決するた
めに、前記送信機装置が振動装置であり、該振動装置が
連結プレートに堅固に固定され、該連結プレート自身は
音響（地震）遮断具を用いて前記フロントプレートにつ
ながれ、据え付けフランジおよびストッパが固定具で前
記トンネル穿孔機械の前記フロントプレートに接続され
ていることを特徴としている。

【００１４】さらに、本発明は、前記の課題を解決する
ために、前記振動装置が動電型加振機であることを特徴
としている。さらに、本発明は、前記の課題を解決する
ために、前記音響（地震）遮断具が加硫された弾力的な
せん断運動絶縁体であることを特徴としている。

【００１５】さらに、本発明は、前記の課題を解決する
ために、前記ストッパと前記フロントプレートの間の接
続がフラットシールを用いて補助的にシールされている
ことを特徴としている。

【００１６】さらに、本発明は、前記の課題を解決する
ために、前記中央記録・制御ユニットに連結する電気的
リンクがスリップリング装置を介して前記トンネル穿孔
機械の前記ドリル・ヘッド・構造の回転軸の中心に保持
されることを特徴としている。

【００１７】さらに、本発明は、前記の課題を解決する
ために、前記中央記録・制御ユニットが前記トンネル穿
孔機械の操舵室内に取り付けられることを特徴としてい
る。

【００１８】

【作用】反響測深の原理に基づくシステムが用いられる
問題は、本発明によって解決される。この場合、本発明
の好適な形態においてＴＢＭのカッターヘッドのそれぞ
れのカッター・ホイールのフロントプレートで、表面の
近傍における送信機装置から音響（地震）信号が送られ
る。また、本発明の好適な形態においてＴＢＭのカッタ
ーヘッドのそれぞれのカッター・ホイールのフロントプ
レートに据え付けられた受信機装置を使用して、前方の
層の非連続部から反射した又は分散した信号が拾われ
る。

【００１９】ＴＢＭのカッター・ホイールと切羽との区
間(0.2m〜0.5m)は、掘削され、また処理された土質は液
状になっていると、送信機装置から音響信号であるＰ波
が送られ、Ｓ波は生じない。そして、音響信号が不均質
部から反射すると、反射信号が受信機装置によって受信
される。しかしながら、圧密されたモレーン（氷堆石）
のような地質の場合は送信機装置から地震信号（Ｐ波並
びＳ波）送られて伝播でき、かつそれを受信できる。音
響信号Ｐ波の一部分を地震信号Ｓ波に変換できるか否か
は、処理を施された土と、切羽との境界線での状況に深
く左右され、基本的には音響信号が伝播されるが、送信
機装置が岩などの堅いものに接続されていれば、始めか
ら地震信号（Ｐ波並びＳ波）が伝播される。

【００２０】その他の作用については、以下の実施例の
説明で明らかとなるであろう。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は、垂直な断面におけるＴＢＭによってトン
ネルを掘ること（ＴＢＭ-堀進）を例示的に図示してい
る。この例におけるＴＢＭでの堀進又はトンネル掘り
は、柔らかい地面または土壌層において行われ、一方、
掘り出された前方の領域である層１は、第１段階でシー
ルド２を用いて支持され（土圧または同様の技術）、そ
して後の段階でセグメントライニング３によって支持さ
れる。

【００２２】音響（地震）を送信および受信する送信機
装置４ａおよび受信機装置４ｂは、本発明に従って、ド
リル・ヘッド・構造としてのカッターホイール６のフロ
ントプレート５に設置される。そして、探査は、構造処
置の間、例えばライニングセグメント３の置換のための
短い堀進中断の間っで次に述べる通りに行われる。

【００２３】音響（地震）信号７ａは、送信機装置４ａ
によって前方の層１へ送られ、不均質部としての部分的
に層の非連続部８に反射する。そこで反射された信号７
ｂは、受信機装置４ｂによって拾われ、当該装置は音響
（地震）信号を電気の信号に変える。送信機装置４ａと
受信機装置４ｂは、電気的リンクとしてのケーブル９に
よって、例えばＴＢＭの操舵室１１に優先的に設置され
る中央記録・制御ユニット１０とリンクされる。電気的
連結がカッター・ホイール６の回転軸の中央でケーブル
９用のスリップリング装置１２とともに作られるなら
ば、発明の操作上の適用は、かなり単純化されうる。測
定の直後に、データの処理と評価および結果の分析は、
その場で、例えばＴＢＭの操舵室１１内で、中央記録・
制御ユニット１０を用いて、実行されうる。したがっ
て、人は既知の処理方法、例えば、前方領域１での層の
非連続部ないし異質物８の検出と局地化のための、相互
相関、波フィールド分離と共通の反射点イメージング(c
ross-correlation, wave fieldseparation and common
reflection point imaging)を用いる。

【００２４】図２は、本発明の送信機装置４ａと受信機
装置４ｂをフロントプレート５に連結する連結装置の設
計変形例を詳細に図示する。本実施例の連結装置は、Ｔ
ＢＭのカッター・ホイールのフロントプレート５の特別
に維持された開口部に挿入される。発明された連結装置
は、次に述べる通りに、形成される。

【００２５】送信機装置４ａとしての振動子１４ａは、
好適な設計変形例において動型加振機（エレクトロダイ
ナミックシェーカー）であり、この振動子１４ａは連結
プレート１３にしっかりと取り付けられている。連結プ
レート１３は、音響（地震）遮断具１５、好適な設計変
形例においては加硫された弾力的なせん断運動絶縁体を
介して、取付フランジ１６とカッター・ホイール６のフ
ロントプレート５に接続されている。フランジ１６およ
びストッパ１７は、フランジの周囲に配置された固定具
としてのねじボルト１９を用いて、ＴＢＭのカッター・
ホイールのフロントプレート５に固定され、それによっ
てフラット・シール１８が例えば層水の流入を回避する
こととなる。

【００２６】層の発掘プロセスの間に連結板が非常にラ
フな作業条件（すなわち、高い運転圧力、研磨媒体、
等）にさらされるという事実のために、連結装置の要素
１３、１５および１６は、適切に寸法決めされなければ
ならず、また抵抗材料によって作られなければならな
い。ストッパ１７は、せん断運動絶縁体が膨張による伸
びに対する音響（地震）遮断具１５の保護的閾値として
供される。すなわち、ストッパ１７は、音響（地震）遮
断具１５が膨張してある程度伸びたときに押さえる用を
なす。

【００２７】概略的に図２に示されると同じ装置におい
て、少なくとも１つの振動子１４ａは一つ以上の振動子
１４ｂとともにが連結プレート１３に取り付けられう
る。連結プレート１３、音響（地震）遮断具（せん断運
動絶縁体）１５、フランジ１６およびストッパ１７は、
機械的動作システムを表わし、寸法と材料選択に関する
それら部品は、調和的な発振器の物理的な原理に従う適
用の場合には特に調整されなければならない。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、音響（地震）信号で前
方領域を探査するので、探査範囲が切羽前方３０〜５０
ｍになり、探査性能が大幅に向上した。

【００２９】さらに、音響（地震）信号を送る送信機装
置およびその反射信号を受ける受信機装置が、トンネル
穿孔機械のドリル・ヘッド・構造のフロントプレートに
取り付けられているので、トンネル穿孔作業の合間にこ
れから掘る領域の土質状況等を土や切羽との境界線での
状況に左右される子となく探査することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、トンネル建造に関連して測定機構を概
略的に図示する説明図である。

【図２】図２は、音響（地震）連結装置の設計変形例を
示す下半分を省略した断面図である。

【符号の説明】

１層２シールド３ライニングセグメント４ａ送信機装置４ｂ受信機装置５フロントプレート６カッター・ホイール７ａ送信された音響（地震）信号７ｂ受信された音響（地震）信号８岩または土壌不均質物９ケーブル・リンク１０中央記録・制御ユニット１１ＴＢＭの操舵室１２スリップリング装置１３連結プレート１４振動子装置14a、受信機装置14b １５音響（地震）遮断具１６取付フランジ１７ストッパ１８シール１９ねじボルト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル穿孔機械における切羽前方領域
の岩または土層を探査する探査装置において、すべて中央記録・制御ユニット（１０）に連結されてお
り、音響（地震）信号（７ａ）を前方の領域（１）に向
けて送信する１つ以上の送信機装置（４ａ）、および前
方の領域（１）の不均質部（８）から反射した反射信号
（７ｂ）を受信する１つ以上の受信機装置（４ｂ）を有
し、前記送信機装置（４ａ）および前記受信機装置（４
ｂ）が前記トンネル穿孔機械のドリル・ヘッド・構造
（６）のフロントプレート（５）に取り付けられたこと
を特徴とする探査装置。
【請求項２】前記送信機装置（４ａ）が振動装置（１
４ａ）であり、該振動装置（１４ａ）が連結プレート
（１３）に堅固に固定され、該連結プレート（１３）自
身は音響（地震）遮断具（１５）を用いて前記フロント
プレート（５）につながれ、据え付けフランジ（１６）
およびストッパ（１７）が固定具（１９）で前記トンネ
ル穿孔機械の前記フロントプレート（５）に接続されて
いることを特徴とする請求項１に記載の探査装置。
【請求項３】前記振動装置（１４ａ）が動電型加振機
であることを特徴とする請求項２に記載の探査装置。
【請求項４】前記音響（地震）遮断具（１５）が加硫
された弾力的なせん断運動絶縁体であることを特徴とす
る請求項２に記載の探査装置。
【請求項５】前記ストッパ（１７）と前記フロントプ
レート（５）の間の接続がフラットシール（１８）を用
いて補助的にシールされていることを特徴とする請求項
２に記載の探査装置。
【請求項６】前記中央記録・制御ユニット（１０）に
連結する電気的リンク（９）がスリップリング装置（１
２）を介して前記トンネル穿孔機械の前記ドリル・ヘッ
ド・構造（６）の回転軸の中心に保持されることを特徴
とする請求項１乃至５の何れか１つに記載の探査装置。
【請求項７】前記中央記録・制御ユニット（１０）が
前記トンネル穿孔機械の操舵室（１１）内に取り付けら
れることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１つに記
載の探査装置。