JPS60261895A - シ−ルド式トンネル堀削機の切羽崩壊検知方法及びその検知装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、シールド式トンネル堀削機による掘削工事時
の切羽崩壊の状態を検知するシールド式トンネル堀削機
の切羽崩壊検知方法及びその検知装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、泥漿式中土圧式、泥水加圧式などの密閉型シール
ド式トンネル堀削機があるが、これらの機械は外側をス
キンプレートで覆って遮蔽しているため、内部から掘進
時の切羽の状態を知るととができない。つまシ、このト
ンネル掘削機は、切羽崩壊を生じてもそのまま堀進し、
第１図に示すように空洞１として取ル残していくため、
後日地面の陥没を引き起す可能性があつた。図中２は地
表面、３は地山、４は切羽後に環状に形成して土−管と
して機能せしめるセグメントを示す。

そこで、以上のような地面陥没を未然に防止するための
判断資料として、切羽崩壊の状態を知る切羽崩壊検知装
置が開発されている。その１つとしては超音波方式を用
いた検知装置（実開昭５８−１４０２９６号公報および
その願書に添付する明細書、図面）があシ、他の１つに
は前部に位置するカッターフェースの近傍に測針を設け
、掘削の停止時に測針を切羽面に接触させて切羽崩壊の
状態を測定する触針式検知装置がある。

しかしながら、超音波方式のものは超音波が泥水によっ
て減衰を受けるので、このままでは絹１ｊ定精度の低下
は否めず、実用化が難しい。そこで、これに代るものと
して　清 麺　水置換型超音波方式が考えられている。この方式は
、水中ポンプによシ清水をシェツト流で噴射させて泥水
を清水に置換して超音波路を形成し、超音波探触子から
発生される超音波の発射壊を知るものであるｉしかし、
この方式は、泥水の重量濃度に制限されることや地山崩
壊を引き起すことなく清水雰囲気を維持することが難し
く、実用上問題がある。

一方、触針式のものは、掘削を停止した時にだけ測定が
可能であシ、連続測定ができず、切羽崩壊の検知装置と
しては不十分である。

〔発明の目的〕

本発明は以上のような点にかんがみてなされたもので、
地山崩壊を引き起す危険性がなく、かつ連続的に計測し
得るシールド式トンネル掘削様の切羽崩壊検知方法を提
供することにある。

また、別の発明は、掘削機表面よシ突出させることなく
かつ簡単な構成で切羽崩壊の状態を検知するシールド式
トンネル掘削様の切羽崩壊　１検知装置を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

本発明は、シールド式トンネル掘削様においてスキンプ
レート面に取付けられた対なる電極の入力インピーダン
スが泥水厚によって変化することを利用して切羽崩壊に
よる空洞の存在を検知するシールド式トンネル掘削様の
切羽崩壊検知方法である。

また、もう１つの発明は、スキングレート面に設けた対
なる電極に信号発生器よシ所望の信号を印加するととも
に該信号を基準信号として出力し、この基準信号と前記
対なる電極から出力される泥水厚によって変化する信号
とを受信部に入力し、ここで所定の計算式に基づいて入
力インピーダンス、反射係数および電圧定在波比の１つ
をめて切羽崩壊による空洞の存在を検知スるシールド式
トンネル掘削様の切羽崩壊検知装置である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明方法の一実施例について図面を参照して説
明する。トンネル堀１’ｉｌＪ機は、その後械前面部に
カッターフェースが設けられ、またカッターフェースの
背部側に該カッターフェースとＩ／ｌぼ同径で環状に形
成された機械の外体として機能するスキンプレートが設
けられている。

このスキンプレートはその一部が切シ欠かれこの切シ欠
き部分に絶縁板を介して一対の電極が設けられている。

そして、スキンプレート面から泥水層、地山に至る系を
１つの伝送路と考え、前記一対の電極によシスキンプレ
ート面から泥水層、地山に至る伝送路をみたときの入力
インピーダンスの変化を計測し、切羽崩壊の状態を検知
するものである。

以上のような手段によって切羽崩壊を検知できる理由を
計算式に基づいて説明する。即ち、この切羽崩壊検知方
法は、第２図に示すスキンプレート１ノから泥水層１２
、地山１３を１つの伝送路として考える。今、泥水層１
２の厚みをｔｌとし、かつ地山１３が十分な厚さを持っ
ていることを考慮すると、スキンプレート面からみた入
力インピーダンスＺ、は次式で表わすことができる。

ここで、シｌは泥水層１２の特性インピーダンス、１１
は泥水層１２の厚み、ｉ−１は泥水層ノ２の伝播定数、
工、は地山層表面からみた入力インピーダンスである。

また、特性インピーダンス２及び伝播定数１１は媒質の
誘電率をε、透磁率をμ、導電率をＫとすると、これら
の間には次のような関係が成立する。

但し、ωは角周波数である。故に、スキンプレート１１
の面からみた入力インピーダンス＝。

は泥水層１２及び地山１３の電気定数ε、μ、Ｋ〜　ヵ
１各ヶ一様アあ、とすゎば、泥水層、２゜厚みｔｌ　と
角周波数ωによって変化する。第３図は角周波数を一定
とし、泥水層１２の厚みｔｌ　を１０■から１００Ｗま
で変化させたときのインピーダンスＺａの計算値を示す
スミス・チャートの模式図である。

ところで、切羽が崩壊した場合、第４図に示ずように泥
水層１２の厚みｔｌが変化するが、このとき角周波数ω
を一定とすれば、入力インピーダンスｚａの変化から泥
水層１２の厚みｔｌの変化を知ることができる。即ち、
スキンプレート面からみた泥水層１２、地山１３を１つ
の伝送路として扱い、その入力インピーダンスシ、の変
化を知ることで切羽の崩壊を検知するととができる。な
お、ここでは入力インビーダンスシ、の変化で説明した
が、電圧定在波比（ｖｓｗＲ）あるいは電圧反射係数Ｆ
においても、 。ＩＭａｉｌ、ゑ８よ、１６ゎ、。ア、。１　゛切羽崩
壊を検知できる。

次に、本発明装置の一実施例について第５図を参照して
説明する。即ち、第５図は、トンネル掘削機において特
に機械的駆動系を除いて切羽崩壊の状態を検知する電気
的な構成部分のみを示した図である。同図において２１
は掘削機の前面に配置されたカッターフェースであって
、これは図示されていないがカッター駆動装置によって
回転されるようになっている。このカッｐ　−７エース
２１の背部１７Ｃはカッターフェース２１の径に略等し
くかつ機械の外体として構成されるスキンプレート１１
が設けられている◇さらに、カッターフェース２ノに比
較的近いスキンプレート１１の一部を切シ欠いてこの切
シ欠き部分にスキンプレート１１の一部として機能する
絶縁板２３が嵌着せられ、この絶縁板２２に所要の距離
を有して一対の電極２３．２３が埋設されている。前記
絶縁板２２は泥水層１２と接する部分であシ、このため
泥水圧に十分耐えられる強度を持った材料が用いられか
つスキンプレート１１に強固に取着されているものとす
る。２４社所要の信号波を発生する信号発生器（例えば
掃引発振器等）であって、この発生器２４から出力され
た信号波は信号線２５゜２６にて方向結合器２２および
受信部２８に送られる。この方向性結合器２７は、信号
発生器２４からの信号波を信号線２９を介して一対の電
極２３．２３に加え、このとき一対の電極２３．２３か
ら泥水層によるインピーダンスの変化によって生ずる信
号を前記信号波から分離して信号線３０によシ前記受信
部２８へ送出する機能をもっている。受信部２８は、信
号発生器２５から出力された信号と方向性結合器２７に
よって分離された信号の比と、位相差とから反射係数Ｆ
を得、これを表示部３ノに表示するようになっている。

次に、以上のように構成された切羽崩壊検知装置の作用
を説明する。信号発生器２４から所望の信号波が発生さ
れると、この信号波は方向性結合器２７および信号線２
９を介して一対の電極２３．２３に加えられる。このと
き、信号波は（４）式および（５１式で示される関係に
よシその一部は泥水層１２へ伝播し、残シは反射する。

この反射信号は一対の電極２３．２３によって受波され
、かつ方向性結合器２７によシ分離されて受信部２８に
送られる。この受信部２８では信号発生器２４から受け
た信号波である基準信号と反射信号の比と、位相差とか
ら反射係数ｐをめ、これを表示部（記録装置を含む）３
１などに表示することによシ、切羽崩壊状態を知ること
ができる。

なお、信号発生器２４から送出する信号波の周波数は、
一対の電極２３．２３の間隔、計測対象としての泥水層
によって適宜に選択すればよい。ここで、例えば一対の
電極２３．２３の間隔を２０ｃｍとした場合、第６図に
示すような電圧反射係数Ｆの泥水層に対する実測値を得
ることができる。これによって泥水層１０ｆｆ−・５０
調の変化を十分検知できる仁とが分る。通常、泥水層は
１０〜２０ｍであることを考えれば、切羽崩壊の状態を
容易に検知できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

例えば一対の電極２３．２３の間隔を２０副とする一種
類について述べたが、よシ広い間隔の複数対の電極を使
用すれば、泥水層変化幅を拡大して検知することができ
る。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明方法によれば、スキンプレー
ト面に取付けた対なる電極の泥水層に対するインピーダ
ンスの変化信号を計測するようにしたので、泥水を清水
に置換して超音波を送波する面倒がなくなシ、かつ地山
崩壊を引き起す危険性もない。さらに、連続的に計測で
きる効果を有する。

また、本発明装置によれば、スキンプレート面に埋込式
で対なる電極を設けたので、掘削機表面から外部への突
起物がなくなシ、これによシ機械稼動中でも対なる電極
でインピーダンスの変化を検出できる。また、対なる電
極へ印加　パする信号と対なる電極で検出する信号との
比を　を用いて入力インピーダンス、反射係数および電
圧定在波比の１つをめるので、簡単な構成で実現できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を説明するための図、第２図ないし第４
図は本発明方法の実施例を説明するための図で、第２図
はスキンプレート面からの泥水層を示す図、第３図は泥
水層の変化に対するインピーダンス計算値を表わしたス
ミス・チャートの模式図、第４図は泥水層が変化してい
る場合の図、第５図は本発明装置の一寅施例を示す一部
断面して示す電気的構成図、第６図は泥水層に対する反
射係数の関係を示す特性図である。 １１・・・スキンプレート、１２・・・泥水層、１３・
・・地山、２１・・・カッターフェース、２２・・・絶
縁板、２３・・・電極、２４・・・信号発生器、２７・
・・方向性結合器、２５．２６．２９．３０・・・信号
線、２８・・・受信部、３１・・・表示部。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 〜４ 第２図 て、３図 第６図 一１ＬｔＪ翰ｍ） 手続補正書 ０？Ｈ１］かっ、情・−８、。 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、事件の表示 製願昭５９−１１９５２３号 ２、発明の名称 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （４１２）日本鋼管株式会社 ４、代理人 発明の名称、明細書 ７、補正の内容 （１）　発明の名称を下記のように訂正する。 シールド式トンネル掘削機の切羽崩壊検知方法及びその
検知装置 （２）　明細書全文を別紙のように訂正する。 明　細　書 １、発明の名称 シールド式トンネル掘削機の切羽崩壊検知方法及びその
検知装置 ２、特許請求の範囲 （１）　シールド式トンネル掘削機において、スキンプ
レート面に取付けられた対なる電極の入力インピーダン
スが泥水厚によって変化することを利用し、この対なる
電極の入力インピーダンスの変化によって得られる信号
を計測して切羽崩壊による空洞の存在を検知することを
特徴とするシールド式トンネル掘削機の切羽崩壊検知方
法。 （２）　シールド式トンネル掘削機において、スキンプ
レート面に設けた対なる電極と、この対なる電極に方向
性結合器を介して所定の信号を印加する信号発生器と、
この信号発生器よシ出ｂ　力される信号と前記対なる電
極から出力されて前記方向性結合器を介して入力される
泥水厚によって変化する信号の比と、位相差とから入力
インピーダンス、反射係数および電圧定在波比の何れか
１つをめて表示する手段とを備え、切羽崩壊による空洞
の存在を検知することを特徴とするシールド式トンネル
掘削機の切羽崩壊検知装置。 ３、発明の詳細な説明 〔発明の技術分野〕 本発明は、シールド式トンネル掘削機による掘削工事時
の切羽崩壊の状態を検知するシールド式トンネル掘削機
の切羽崩壊検知方法及びその検知装置に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 従来、泥漿式や土圧式、泥水加圧式などの密閉型シール
ド式トン号ル掘削機があるが、これらの機械は外側をス
キンプレートで覆って遮蔽しているため、内部から掘進
時の切羽の状態を知ることができない。つまシ、このト
ンネル掘削機は、切羽崩壊を生じてもそのまま掘進し、
　）第１図に示すよ２に空洞１として取り残していくた
め、後日地面の陥没を引き起す可能性からった。図中２
は地衣面、３は地山、４は切羽後に環状に形成して土管
として機能せしめるセグメントを示す。 そこで、以上のような地面陥没を未然に防止するための
判断資料として、切羽崩壊の状態を知る切羽崩壊検知装
置が開発されている。その１つとしては超も彼方式を用
いた検知装置（実開昭５１Ｊ−１４０２９６号公報およ
びその願書に添付する明細書、図面）があシ、他の１つ
には前部に位置するカッター７エースの近傍に測針を設
け、掘削の停止時に測針を切羽面に接触させて切羽崩壊
の状態を測定する触針式検知装置がある。 しかしながら、超音波方式のものは超音波が泥水によっ
て減衰を受けるので、このままでは測定精度の低下は否
めず、実用化が難しい。そこで、これに代るものとして
清水置換型超音波方式が考えられている。この方式は、
水中ポンプによ）清水をジェット流で噴射させて泥水を
清水に置換して超音波路を形成し、超音波探触子から発
生される超音波の発射エコーと、この超音波探触子から
前記清水を通って地山で反射されて返ってくる反射エコ
ーとの時間から切羽崩壊を知るものである。しかし、こ
の方式は、泥水の重量濃度に制限されることや地山崩壊
を引き起すことなく清水雰囲気を維持することが難しく
、実用上問題がある。 一方、触針式のものは、掘削を停止した時にだけ測定が
可能であυ、連続測定ができず、切羽崩壊の検知装置と
しては不十分でおる。 〔発明の目的〕 本発明は以上のような点にかんがみてなされたもので１
地山崩壊を引き起す危険性がなく、かつ連続的に計測し
得るシールド式トンネル掘削機の切羽崩壊検知方法を提
供することＫある。 また、別の発明は、掘削機表面より突出させることなく
かつ簡単な構成で切羽崩壊の状態を検知するシールド式
トンネル掘削機の切羽崩壊検知装置を提供することにあ
る。 〔発明の概要〕 本発明は、シールド式トンネル掘削機においてスキンプ
レート面に取付けられた対なる電極の入力インピーダン
スが泥水厚によって変化することを利用して切羽崩壊に
よる空洞の存在を検知するシールド式トンネル掘削機の
切羽崩壊検知方法である。 また、もう１つの発明は、スキングレート面に設けた対
なる電極に信号発生器よシ所望の信号を印加するととも
に該信号を基準信号として出力し、この基準信号と前記
対なる電極から出力される泥水厚によって変化する信号
とを受信部に入力し、ここで所定の計算式に基づいて入
力インピーダンス、反射係数および電圧定在波比の１つ
をめて切羽崩壊による空洞の存在を検知するシールド式
トンネル掘削機の切羽崩壊検知装置である。 −　〔発明の実施例〕 以下、本＠明方法の一実施例について図面を参照して説
明する。トンネル掘削機は、その機械前面部にカッター
フェースが設け−られ、またカッターフェースの背部側
に該カッターフェースとほぼ同径で環状に形成された機
械の外体として機能するスキンプレートが設けられてい
る。 このスキンプレートはその一部が切シ欠かれこの切シ欠
き部分に絶縁板を介して一対の電極が設けられている。 そして、スキンプレート面から泥水層、地山に至る系を
１つの伝送路と考え、前記一対の電極によシスキンプレ
ート面から泥水層、地山に至る伝送路をみたときの入力
インピーダンスの変化を計測し、切羽崩壊の状態を検知
するものである。 以上のような手段によって切羽崩壊を検知できる理由を
計算式に基づいて説明する。即ち、この切羽崩壊検知方
法は、第２図に示すスキングレート１ノから泥水層１２
、地山１３を１つの伝送路として考える。今、泥水層１
２の厚みをｔｌ　とし、かつ地山１３が十分な厚さを持
つ〕 ていることを考慮すると、スキンプレート面か　！らみ
た入力インピーダンスｉは次式で表わすことができる。 ここで、ｚｌは泥水層１２の特性インピーダンス、Ｚｌ
は泥水層１２の厚み、；ｌは泥水層１２の伝播定数、ｚ
ｌｌは地山層表面からみた入力インと一ダンスである。 また、特性インピーダンス２及び伝播定数ｉｌは媒質の
誘電率をε、透磁率をμ、導電率をＫとすると、これら
の間には次のような関係が成立する。 ；、２月７＝扁肩這；　曲・・曲・・（３）但し、ωは
角周波数である。故に、スキングレート１１の面からみ
た入力インピーダンスシ。 は泥水層１２及び地山１３の電気定数ε、μ、Ｋが各々
一様であるとすれば、泥水層１２の厚み１１　と角周波
数ωによって変化する。第３図は角周波数を一定とし、
泥水層１２のＪ４みｔｌを１０＋ｍｍから１００ｍ＋ま
で変化させたときのインピーダンスＺ　の計算値を示す
スミス・チャートの模式図である。 ところで、切羽が崩壊した場合、第４図に示すように泥
水層１２の厚みｔｌが変化するが、このとき角周波数ω
を一定とすれば、入力インピーダンスｚａの変化から泥
水層１２の厚みｔｌの変化を知ることができる。即ち、
スキンプレート面からみた泥水層１２、地山１３を１つ
の伝送路として扱い、その入力インピーダンスｚａの変
化を知ることで切羽の崩壊を検知することができる。な
お、ここでは入力インピーダンスξの変化で説明し、た
が、電圧定在波、Ｈｖｓｗ）あるいは電圧反射係数Ｆに
おいても、 の関係式からｚａと関係付けられるので、同様に切羽崩
壊を検知できる。 次に、本発明装置の一実施例について第５図を参照して
説明する。即ち、第５図は、トンネル掘削機において特
に機械的駆動系を除いて切羽崩壊の状態を検知する電気
的な構成部分のみを示した図である。同図において２ノ
は掘削機の前面に配置されたカッターフェースであって
、これは図示されていないが力、ター駆動装置によって
回転されるようになっている。この力。 ターフエース２ノの背部にはカッターフェース２ノの径
に略等しくかつ機械の外体として構成されるスキンプレ
ート１１が設けられている。さらに、カッターフェース
２１に比較的近いスキンプレート１１の一部を切シ欠い
てこの切シ欠き部分にスキングレート１ノの一部として
機能する絶縁板２３が嵌着せられ、この絶縁板２２に所
要の距離を有して一対の電極２３．２３が〜　埋設され
ている。前記絶縁板２２は泥水層１２と接する部分でア
シ、このため泥水圧に十分耐えられる強度を持った材料
が用いられかつスキンプレート１１に強固に取着されて
いるものとする。２４は所要の信号波を発生する信号発
生器（例えば掃引発振器等）でろって、この発生器２４
から出力された信号波は信号線２５゜２６にて方向結合
器２７および受信部２８に送られる。この方向性結合器
２７は、信号発生器２４からの信号波を信号線２９を介
して一対の電極２３．２３に加え、このとき一対の電極
２３．２３から泥水厚によるインピーダンスの変化によ
って生ずる信号を前記信号波から分離して信号線３０に
よシ前記受信部２８へ送出する機能をもっている。受信
部２８は、信号発生器２５から出力された信号と方向性
結合器２７によって分離された信号の比と、位相差とか
ら反射係数Ｆを得、これを表示部３１に表示するように
なっている。 次に、以上のように構成された切羽崩壊検知装置０作用
を説明す６・信号発生ｅｒ２４ｉｈら所　１望の信号波
が発生されると、この信号波は方向　）性結合器２７お
よび信号線２９を介して一対の電極２３　ｅ　２３に加
えら扛る。このとき、信号波は（４）式および（５）式
で示される関係によシその一部は泥水層１２へ伝播し、
残シは反射する。 この反射信号は一対の゛電極２３．２３によって受波さ
れ、かつ方向性結合器２７により分離されて受信ｓ２８
に送られる。この受信部２８では信号発生器２４から受
けた信号波である基準信号と反射信号の比と、位相差と
から反射係数ンをめ、これを表示部（記録装置を含む）
３１などに表示することによシ、切羽崩壊状態を知るこ
とができる。 なお、信号発生器２４から送出する信号波の周波数は、
一対の電極２３．２３の間隔、計測対象としての泥水厚
によって適宜に選択すればよい。ここで、例えば一対の
電極２３．２３の間隔を２０ｚとした場合、第６図に示
すような電圧反射係数Ｆの泥水厚に対する実測値を得る
ことができる。これによって泥水厚１０鱈〜５０掴の変
化を十分検知できることが分る。通常、泥水厚は１０〜
２９ｍであることを考えれば、切羽崩壊の状態を容易に
検知できる。 なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。 例えば一対の電極２３．２３の間隔を２０５１とする一
種類について述べたが、よシ広い間隔の複数対の電極を
使用すれば、泥水厚変化幅を拡大して検知することがで
きる。 〔発明の効果〕 以上詳記したように本発明方法によれば、スキンプレー
ト面に取付けた対なる電極の泥水厚に対するインピーダ
ンスの変化信号を計測するようにしたので、泥水を清水
に置換して超音波を送波する面倒がなくなり、かつ地山
崩壊を引き起す危険性もない。さらに、連続的に計測で
きる効果を有する。 また、本発明装置によれば、スキンプレート面に埋込式
で対なる電極を設けたので、掘削機表面から外部への突
起物がなくなシ、これによシ機械稼動中でも対なる電極
でインピーダンスの変化を検出できる。また、対なる電
極へ印加する信号と対なる電極で検出する信号との比を
用いて入力インピーダンス、反射係数および電圧定在波
比の１つをめるので、簡単な構成で実現できる。 ４、図面の簡単な説明 第１図は従来例を説明するための図、第２図ないし第４
図は本発明方法の実施例を説明するための図で、第２図
はスキンプレート面からの泥水厚を示す図、第３図は泥
水厚の変化に対するインピーダンス計算値を表わしたス
ミス・チャートの模式図、第４図は泥水厚が変化してい
る場合の図、第５図は本発明装置の一実施例を示す一部
断面して示す電気的構成図、第６図は泥水厚に対する反
射係数の関係を示す特性図である。 １ノ・・・スキングレート、１２・・・泥水層、１３・
・・地山、２１−・・カッターフェース、２２・・・絶
縁板、２３・・・電極、２４・・・信号発生器、２７・
・・方向性結合器、２５．２６．２９．３０・・・信号
線、２８・・・受信部、Ｊ　１−・・表示部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　シールド式トンネル堀削機において、スキンプ
   レート面に取付けられた対なる電極の入力インピーダン
   スが泥水厚によって変化することを利用し、この対なる
   電極の入力インピーダンスの変化によって得られる信号
   を計測して切羽崩壊による空洞の存在を検知することを
   特徴とするシールド式トンネル堀削機の切羽崩壊検知方
   法。 ′（２）　シールド式トンネル堀削機において、スキン
   プレート面に設けた対なる電極と、この対なる電極に方
   向性結合器を介して所定の信号を印加する信号発生器と
   、この信号発生器よ多出力される信号と前記対々る電極
   から出力されて前記方向性結合器を介して入力される泥
   水厚によって変化する信号の比と、位相差とから入力イ
   ンピーダンス、反射係数および電圧定在波比の何れか１
   つをめて表示する手段とを備え、切羽崩壊による空洞の
   存在を検知することを特徴とするシールド式トンネル堀
   削機の切羽崩壊検知装置。