シールド掘進機の位置計測方法
【課題】地上からの探り孔や到達位置付近からの水平ボーリングによる位置確認孔の施工を必要とせず、リアルタイムでシールド掘進機３の位置を確認することのできる方法を提供する。
【解決手段】所定の掘進到達予定位置から地盤１中へ、シールド掘進機３による掘進予定位置の周囲へ向けて、導波棒５を、掘進計画基線Ｏと直交する平面における前記掘進計画基線Ｏとの交点を原点とするｘｙ座標系の各象限を通るように複数挿入し、シールド掘進機３から各導波棒５に伝達された振動を、各導波棒５に取り付けた加速度センサ６によって検出し、検出値の大きさやその比較によってシールド掘進機３の位置を求める。
【解決手段】所定の掘進到達予定位置から地盤１中へ、シールド掘進機３による掘進予定位置の周囲へ向けて、導波棒５を、掘進計画基線Ｏと直交する平面における前記掘進計画基線Ｏとの交点を原点とするｘｙ座標系の各象限を通るように複数挿入し、シールド掘進機３から各導波棒５に伝達された振動を、各導波棒５に取り付けた加速度センサ６によって検出し、検出値の大きさやその比較によってシールド掘進機３の位置を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルを構築するために用いられるシールド掘進機の位置を計測するための技術である。
【背景技術】
【０００２】
従来、シールド掘進機によるシールドトンネルの施工においては、地中を掘進するシールド掘進機の位置を把握して、設計線に沿って正確に掘進させるための種々の方法が開発されており、例えば下記の特許文献１に記載されたような技術が知られている。
【特許文献１】特開２００１−２２０９９２
【０００３】
ところで、例えば都市部のシールド掘進工事では、立坑を施工するための用地の確保が困難であることや、コスト削減の必要から、中間立坑の設置を省略して到達側立坑まで掘進したり、シールド掘進機同士によりトンネルを地中接合したり、掘削済みの既設トンネルに新設のシールドトンネルを接合する場合がある。このような場合は、高い到達精度でシールド掘進を施工する技術が要求されるが、そのような技術は、確立されていなかった。
【０００４】
図７及び図８は、シールド掘進機を到達側立坑に高精度に到達させるための従来の方法を示す説明図で、図中の参照符号１０１は地盤、１０２は地盤１０１に掘削された到達側立坑、１０３は到達側立坑１０２へ向けて地中を掘進しているシールド掘進機、１０４はこのシールド掘進機１０３によって構築されたシールドトンネルである。図７の方法では、地上から鉛直方向へ探り孔１０５を掘削することによって、シールド掘進機１０３の位置を確認しており、図８の方法では、シールド掘進機１０３から到達側立坑１０２へ水平ボーリングによる確認孔１０６を掘削することによって、到達側立坑１０２に対するシールド掘進機１０３の相対位置を確認している。
【０００５】
しかしながら、図７のように、地上から探り孔１０５を開ける場合、地上からシールドトンネル１０４（シールド掘進機１０３）までの土被りが数メートル程度の条件では有効であるが、数十メートルもの深さの場合は、探り孔１０５の施工精度自体が問題となる。通常、この施工精度は許容誤差を1/150未満としているが、施工精度を高めるために、探り孔１０５の半径を大きくしなければならず、施工コストが高くなり、しかも探り孔１０５に残置される鋼管の処理に問題が生じる。また、地上とシールド掘進機１０３の間に地下構築物等が存在する場所では、探り孔１０５の施工は不可能である。特に、都市部の大深度でのトンネル掘削では地上構造物や地下構築物が多数存在し、シールド掘進機の位置を確認するための探り孔の施工は困難である。
【０００６】
また、図８のように、シールド掘進機１０３内から水平ボーリングによる確認孔１０６の施工を実施する場合は、作業空間の限られた切羽部で作業を行うため、シールド掘進機１０３の掘進を中断して、その先端の掘進設備１０３ａを撤去する作業が必要となり、しかもこのような作業を伴うために継続した計測ができず、到達精度を上げるためには水平ボーリングを複数回実施する場合もあり、掘進工程を大きく阻害しやすいといった問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであって、すなわちその技術的課題は、地上からの探り孔や到達位置付近からの水平ボーリングによる位置確認孔の施工を必要とせず、リアルタイムでシールド掘進機の位置を確認することのできる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法は、シールド掘進機による掘進予定位置又はその周囲を取り囲むように、地中へ所要数の導波棒を挿入し、シールド掘進機から前記導波棒に伝達された振動を、この導波棒に取り付けた加速度センサにより検出し、その検出値によって前記シールド掘進機の位置を求めるものである。なお、ここでいう導波棒には、主に金属棒、金属線材などの、信号の伝播の良いものが用いられる。
【０００９】
この方法によれば、シールド掘進機が地中を掘進することにより発生する振動（弾性波）は、地盤から導波棒に伝播され、この導波棒を介して加速度センサにより検出される。検出信号の振幅値は、シールド掘進機と導波棒との相対距離の減少と共に増大するので、振幅値の距離による減衰特性と、事前に計測されている導波棒間の距離との関係から、シールド掘進機の位置を求めることができる。また、シールド掘進機が導波棒に接触した場合は、その導波棒に取り付けた加速度センサからの検出信号の振動波形や振幅値の急激な変化から、シールド掘進機の位置を計測することが可能となる。
【００１０】
請求項２の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法は、請求項１の記載において、導波棒を、地中における所定の掘進到達予定位置から、シールド掘進機による掘進計画位置の周囲へ向けて、掘進計画基線と直交する平面における前記掘進計画基線との交点を原点とするｘｙ座標系の各象限又はあるいは掘進計画基線を通るｘ軸及びｙ軸上を通るように複数挿入し、この各導波棒に取り付けた加速度センサからの検出値の比較によって前記シールド掘進機の位置を求めるものである。このため、各導波棒の座標位置と、各加速度センサで計測された弾性波の振幅値及び距離による減衰特性から、シールド掘進機の位置座標を計測することができる。
【００１１】
請求項３の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法は、請求項１の記載において、導波棒を、地上からシールド掘進機による掘進予定位置の左右両側又は掘進計画基線へ向けて鉛直に挿入し、この各導波棒の地上端部に取り付けた加速度センサからの検出値の大きさ又は検出値の差によって前記シールド掘進機の位置を求めるものである。このため、掘進方向（シールド掘進機の中心軸線）と直交する平面上の導波棒の座標と、各加速度センサで検出された信号の振幅値における距離による減衰特性と、導波棒間の距離との関係から、シールド掘進機の位置座標を算出することができる。
【００１２】
請求項４の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法は、請求項１又は２の記載において、導波棒が、既設トンネル又は到達側立坑から挿入されるものである。すなわち、掘削済みの既設トンネルにシールドトンネルを高精度で接合する場合や、シールド掘進機を到達側立坑に高精度で到達するための手段として有用に適用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１〜３の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法によれば、探り孔や確認孔の施工を行わずにシールド掘進機の位置を把握することが可能であり、トンネル施工深さや、地上構造物や地下埋設物の存在などの影響を受けずにシールド掘進機の位置を把握することができ、しかも位置計測のために掘進を中断する必要もないため、シールド掘進機の位置及びその経時変化をリアルタイムで高精度に把握することができる。
【００１４】
請求項４の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法によれば、既設トンネルにシールドトンネルを接合する施工や、シールド掘進機を到達側立坑に到達させる場合の精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係るシールド掘進機の位置計測方法の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず、最初に説明する第一の形態は、シールド掘進機により構築されるシールドトンネルを既設トンネルと接合する場合について本発明の方法を適用したもので、図１は、第一の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域へ向けて掘進している状態を示す概略的な地中断面図、図２は、同じく第一の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域内を掘進している状態を示す概略的な地中断面図、図３は同じく斜視図、図４は、シールド掘進機と導波棒の位置座標を示す説明図である。
【００１６】
図１、図２及び図３において、参照符号１は地盤、２は地盤１に既に施工された既設トンネル、３は既設トンネル２へ向けて地中を掘進しているシールド掘進機、４は既設トンネル２と接合されるべくシールド掘進機３によって構築された新設のシールドトンネル、４ａはその覆工セグメントである。既設トンネル２の端部である切羽面２ａは、請求項２に記載された掘進到達予定位置に相当し、この切羽面２ａからは、まず、シールド掘進機３の掘進予定位置の周囲へ向けて地盤１へ複数の導波棒５を挿入する。
【００１７】
各導波棒５は、掘進計画基線Ｏを中心として、掘進方向と反対側へ向かって漸次大径となる仮想円錐面上を通るように挿入される。好ましくは図４に示されるように、導波棒５は、掘進計画基線Ｏと直交する平面において、この掘進計画基線Ｏとの交点を原点(０，０)とするｘｙ座標系の各象限、又は掘進計画基線Ｏの上下・左右（ｘ軸上及びｙ軸上）において、図４に一点鎖線で示される掘進計画位置よりも外側を通るように、４本以上挿入される。また、各導波棒５の位置座標は、導波棒５を挿入するためのボーリング孔を削孔した時点で計測しておく。
【００１８】
導波棒５には、弾性波の伝搬に優れ、すなわち減衰が小さく、シールド掘進機３が接触してもその掘進に障害を来さない程度の硬度及び太さを有する金属材料が用いられる。具体例としては、導波棒５としては例えば太さφ20mm程度のアルミニウム棒が好適である。
【００１９】
既設トンネル２の切羽面２ａから露出した各導波棒５の端部には、加速度センサ６を取り付ける。加速度センサ６は、ＡＥセンサとも呼ばれ、物体の破壊や機械振動などにより発生する弾性波であるアコースティック・エミッション（Acoustic
Emission；ＡＥ）を受けて、その入力波形に対応したアナログ電圧信号に変換し、出力するものである。図示の形態においては、シールド掘進機３が掘進する際のカッタ３ａと地盤１との摩擦振動が地盤１中を伝播して導波棒５に伝達された弾性波、あるいはシールド掘進機３のカッタ３ａが導波棒５に接触することによってこの導波棒５に発生した振動を検出するようになっている。
【００２０】
各加速度センサ６からの検出信号は、地上の計測小屋内に設置された複数チャネルのＡＥ計測器７に、それぞれセンサケーブルを介して入力される。ＡＥ計測器７は、検出信号の増幅や、周波数フィルタのカットオフ周波数帯域の設定機能を備え、ＡＥの発生数、最大振幅値の分布等の計測が可能である。また、ＡＥ計測器７からの計測データは、計測小屋内に設置されたパソコン８に入力される。このパソコン８は、各導波棒５間の距離、ＡＥ計測器７からの計測データから、シールド掘進機３の位置を計測するものである。
【００２１】
一般に、地盤１内を伝播する弾性波は、徐々に減衰する特性を有する。したがって、シールド掘進機３で発生した弾性波の振幅値は、導波棒５までの距離Ｌの減少と共に増大し、逆に、Ｌが大きいほど、弾性波の振幅値は小さくなる。
【００２２】
各導波棒５は、掘進方向と反対側へ向かって大径となる仮想円錐面上を通るように挿入されているため、図２に示されるように、シールド掘進機３が各導波棒５に囲まれた領域内を掘進して行く過程では、シールド掘進機３から各導波棒５までの距離が徐々に狭まって行くことになり、このため加速度センサ６で検出される振幅値は大きくなって行く。
【００２３】
そして、図４に示されるように、シールド掘進機３から既知の座標(ｘ１,ｙ１)に位置するＣＨ１の導波棒５までの距離をＬ１、既知の座標(ｘ２,ｙ２)に位置するＣＨ２の導波棒５までの距離をＬ２、既知の座標(ｘ３,ｙ３)に位置するＣＨ３の導波棒５までの距離をＬ３、既知の座標(ｘ４,ｙ４)に位置するＣＨ４の導波棒５までの距離をＬ４とすると、各導波棒５に取り付けられた加速度センサ６からの出力値は、前記距離Ｌ１〜Ｌ４によって異なるものとなる。すなわち、シールド掘進機３から各導波棒５までの距離が短いほど、加速度センサ６で検出される振幅値は大きくなる。このような振幅値の変化は、ＡＥ計測器７で測定した一定時間内の最大振幅値分布から求めた平均振幅値の差として求めることができる。
【００２４】
地盤１内での振動減衰特性を厳密に把握することは困難であり、また、シールド掘進機３で発生する弾性波の大きさを特定することも難しいことなどから、導波棒５とシールド掘進機３との絶対的な距離を計算することはできないが、各導波棒５において振動の伝播距離に逆比例した振幅値が検出されるものと仮定すると、各チャネルＣＨ１〜ＣＨ４の加速度センサ６で検出された振幅値と、各チャネルＣＨ１〜ＣＨ４の導波棒５の既知座標(ｘ１,ｙ１)〜(ｘ４,ｙ４)から、距離Ｌ１〜Ｌ４を求め、これによって実際のシールド掘進機３の位置を計測することができる。ひいては、計画上の座標に対する実際のシールド掘進機３の座標のずれ（Δｘ，Δｙ）を求めることができる。
【００２５】
また、上述のように、シールド掘進機３が各導波棒５に囲まれた領域内を掘進して行くのにつれて、シールド掘進機３から各導波棒５までの距離が徐々に狭まって行くので、計画上の座標に対する実際のシールド掘進機３のずれを生じた場合は、シールド掘進機３が、いずれかの導波棒５と接触したり、カッタ３ａがいずれかの導波棒５を削り取ったりすることがある。この場合は、それまで徐々に振幅が大きくなって来た弾性波とは異なる波形の、かつ大振幅の振動が発生するため、これによって、シールド掘進機３の位置を求めることができる。
【００２６】
したがって、これらの監視データに基づいて、シールド掘進機３の掘進方向を制御し、精度良く到達位置へ誘導することができる。
【００２７】
上述した第一の形態は、シールド掘進機３により構築されるシールドトンネル４を既設トンネル２と接合する場合について、本発明を適用したものであるが、本発明は、既設トンネルへのシールドトンネルの接合以外の施工において、シールド掘進機３の位置を高精度に把握して掘進を誘導する場合についても、適用することができる。
【００２８】
図５は、本発明の第二の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域内を掘進している状態を示す概略的な地中断面図である。この形態は、シールド掘進機３により構築されるシールドトンネル４を到達側立坑１４に到達させる場合について、本発明を適用したもので、すなわち、この第二の形態においては、到達側立坑１４の内壁１４ａが、請求項２に記載された掘進到達予定位置に相当し、導波棒５は、この内壁１４ａから、掘進計画基線Ｏを中心として、掘進方向と反対側へ向かって漸次大径となる仮想円錐面上を通るように挿入される。その他の構成は、基本的に、先に説明した第一の形態と同様である。
【００２９】
この形態によれば、上述と同様に、シールド掘進機３の位置をリアルタイムで計測することができるので、掘進計画位置からのシールド掘進機３のずれを補正して、到達側立坑１４へ高精度で誘導することができる。
【００３０】
次に、図６は、本発明の第三の形態を示す概略的な地中断面図である。この形態は、シールドトンネル構築の中間地点にてシールド掘進機３が所定の位置を通過するかを確認しようとする場合について、本発明を適用したものである。
【００３１】
すなわち、この形態においては、まずシールド掘進機３による掘進方向前方の地上から、地盤１へ所定の深さまで導波棒５を鉛直に挿入する。この導波棒５は、掘進計画基線Ｏと直交するように１本以上挿入するか、もしくは掘進計画位置の左右両側に、シールド掘進機３が通ることのできる間隔をもって、ゲート状に２本以上挿入する。また、地表から露出した各導波棒５の端部には、加速度センサ６を取り付ける。
【００３２】
なお、導波棒５及び加速度センサ６は、第一の形態で説明したものと同様である。
【００３３】
この形態においては、シールド掘進機３が、導波棒５へ接近して行くにつれて、シールド掘進機３から導波棒５までの距離Ｌが短くなって行くので、加速度センサ６で検出される振幅値は大きくなって行く。したがって、先に説明したように、加速度センサ６で検出された振幅値と、地盤１における減衰特性から、距離Ｌを求めることができる。
【００３４】
また、導波棒５を掘進計画基線Ｏと直交するように挿入した場合は、シールド掘進機３が導波棒５の挿入位置に達した時点で、カッタ３ａが導波棒５の一部を削り取るため、その時点で、導波棒５には、それまで徐々に振幅が大きくなって来た弾性波とは異なる波形の、かつ大振幅の振動が発生する。そしてこれによって、シールド掘進機３が既知のポイントを通過したことを確認することができる。
【００３５】
導波棒５を、掘進計画位置の左右両側にシールド掘進機３が通ることのできる間隔をもってゲート状に挿入した場合も、基本的には同様であり、カッタ３ａが導波棒５の一部を削り取るか、あるいは導波棒５と接触することによって、それまで徐々に振幅が大きくなって来た弾性波とは異なる波形の振動が発生するので、シールド掘進機３が既知のポイントを通過したことを確認することができる。またこの場合、ゲート状に挿入された左右両側の導波棒５のうち、いずれの導波棒５が削られ又は接触するかによって、掘進計画位置からのシールド掘進機３のずれを計測し、これを補正することができる。
【００３６】
また、導波棒５を、シールド掘進機３の幅よりも広い間隔をもってゲート状に挿入した場合などは、シールド掘進機３が導波棒５に接触したり、削り取ることなく通過することもあり得る。この場合は、シールド掘進機３が導波棒５に接近する過程では加速度センサ６からの出力電圧値が徐々に高くなり、導波棒５の近傍を通り過ぎた後は加速度センサ６からの出力電圧値が徐々に低下するため、出力電圧値のピークが形成された時点で、シールド掘進機３の通過を把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るシールド掘進機の位置計測方法の、第一の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域へ向けて掘進している状態を示す概略的な地中断面図である。
【図２】本発明に係るシールド掘進機の位置計測方法の、第一の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域内を掘進している状態を示す概略的な地中断面図である。
【図３】図２の状態を示す斜視図である。
【図４】第一の形態におけるシールド掘進機と導波棒の位置座標の例を示す説明図である。
【図５】本発明に係るシールド掘進機の位置計測方法の、第二の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域内を掘進している状態を示す概略的な地中断面図である。
【図６】本発明に係るシールド掘進機の位置計測方法の、第三の形態を示す概略的な地中断面図である。
【図７】シールド掘進機を到達側立坑に高精度に到達させるための従来の方法を示す説明図である。
【図８】シールド掘進機を到達側立坑に高精度に到達させるための他の従来の方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 地盤
２ 既設トンネル
２ａ 切羽面
３ シールド掘進機
４ シールドトンネル（シールドトンネル）
５ 導波棒
６ 加速度センサ
７ ＡＥ計測器
８ パソコン
１４ 到達側立坑
Ｏ 掘進計画基線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルを構築するために用いられるシールド掘進機の位置を計測するための技術である。
【背景技術】
【０００２】
従来、シールド掘進機によるシールドトンネルの施工においては、地中を掘進するシールド掘進機の位置を把握して、設計線に沿って正確に掘進させるための種々の方法が開発されており、例えば下記の特許文献１に記載されたような技術が知られている。
【特許文献１】特開２００１−２２０９９２
【０００３】
ところで、例えば都市部のシールド掘進工事では、立坑を施工するための用地の確保が困難であることや、コスト削減の必要から、中間立坑の設置を省略して到達側立坑まで掘進したり、シールド掘進機同士によりトンネルを地中接合したり、掘削済みの既設トンネルに新設のシールドトンネルを接合する場合がある。このような場合は、高い到達精度でシールド掘進を施工する技術が要求されるが、そのような技術は、確立されていなかった。
【０００４】
図７及び図８は、シールド掘進機を到達側立坑に高精度に到達させるための従来の方法を示す説明図で、図中の参照符号１０１は地盤、１０２は地盤１０１に掘削された到達側立坑、１０３は到達側立坑１０２へ向けて地中を掘進しているシールド掘進機、１０４はこのシールド掘進機１０３によって構築されたシールドトンネルである。図７の方法では、地上から鉛直方向へ探り孔１０５を掘削することによって、シールド掘進機１０３の位置を確認しており、図８の方法では、シールド掘進機１０３から到達側立坑１０２へ水平ボーリングによる確認孔１０６を掘削することによって、到達側立坑１０２に対するシールド掘進機１０３の相対位置を確認している。
【０００５】
しかしながら、図７のように、地上から探り孔１０５を開ける場合、地上からシールドトンネル１０４（シールド掘進機１０３）までの土被りが数メートル程度の条件では有効であるが、数十メートルもの深さの場合は、探り孔１０５の施工精度自体が問題となる。通常、この施工精度は許容誤差を1/150未満としているが、施工精度を高めるために、探り孔１０５の半径を大きくしなければならず、施工コストが高くなり、しかも探り孔１０５に残置される鋼管の処理に問題が生じる。また、地上とシールド掘進機１０３の間に地下構築物等が存在する場所では、探り孔１０５の施工は不可能である。特に、都市部の大深度でのトンネル掘削では地上構造物や地下構築物が多数存在し、シールド掘進機の位置を確認するための探り孔の施工は困難である。
【０００６】
また、図８のように、シールド掘進機１０３内から水平ボーリングによる確認孔１０６の施工を実施する場合は、作業空間の限られた切羽部で作業を行うため、シールド掘進機１０３の掘進を中断して、その先端の掘進設備１０３ａを撤去する作業が必要となり、しかもこのような作業を伴うために継続した計測ができず、到達精度を上げるためには水平ボーリングを複数回実施する場合もあり、掘進工程を大きく阻害しやすいといった問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであって、すなわちその技術的課題は、地上からの探り孔や到達位置付近からの水平ボーリングによる位置確認孔の施工を必要とせず、リアルタイムでシールド掘進機の位置を確認することのできる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法は、シールド掘進機による掘進予定位置又はその周囲を取り囲むように、地中へ所要数の導波棒を挿入し、シールド掘進機から前記導波棒に伝達された振動を、この導波棒に取り付けた加速度センサにより検出し、その検出値によって前記シールド掘進機の位置を求めるものである。なお、ここでいう導波棒には、主に金属棒、金属線材などの、信号の伝播の良いものが用いられる。
【０００９】
この方法によれば、シールド掘進機が地中を掘進することにより発生する振動（弾性波）は、地盤から導波棒に伝播され、この導波棒を介して加速度センサにより検出される。検出信号の振幅値は、シールド掘進機と導波棒との相対距離の減少と共に増大するので、振幅値の距離による減衰特性と、事前に計測されている導波棒間の距離との関係から、シールド掘進機の位置を求めることができる。また、シールド掘進機が導波棒に接触した場合は、その導波棒に取り付けた加速度センサからの検出信号の振動波形や振幅値の急激な変化から、シールド掘進機の位置を計測することが可能となる。
【００１０】
請求項２の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法は、請求項１の記載において、導波棒を、地中における所定の掘進到達予定位置から、シールド掘進機による掘進計画位置の周囲へ向けて、掘進計画基線と直交する平面における前記掘進計画基線との交点を原点とするｘｙ座標系の各象限又はあるいは掘進計画基線を通るｘ軸及びｙ軸上を通るように複数挿入し、この各導波棒に取り付けた加速度センサからの検出値の比較によって前記シールド掘進機の位置を求めるものである。このため、各導波棒の座標位置と、各加速度センサで計測された弾性波の振幅値及び距離による減衰特性から、シールド掘進機の位置座標を計測することができる。
【００１１】
請求項３の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法は、請求項１の記載において、導波棒を、地上からシールド掘進機による掘進予定位置の左右両側又は掘進計画基線へ向けて鉛直に挿入し、この各導波棒の地上端部に取り付けた加速度センサからの検出値の大きさ又は検出値の差によって前記シールド掘進機の位置を求めるものである。このため、掘進方向（シールド掘進機の中心軸線）と直交する平面上の導波棒の座標と、各加速度センサで検出された信号の振幅値における距離による減衰特性と、導波棒間の距離との関係から、シールド掘進機の位置座標を算出することができる。
【００１２】
請求項４の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法は、請求項１又は２の記載において、導波棒が、既設トンネル又は到達側立坑から挿入されるものである。すなわち、掘削済みの既設トンネルにシールドトンネルを高精度で接合する場合や、シールド掘進機を到達側立坑に高精度で到達するための手段として有用に適用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１〜３の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法によれば、探り孔や確認孔の施工を行わずにシールド掘進機の位置を把握することが可能であり、トンネル施工深さや、地上構造物や地下埋設物の存在などの影響を受けずにシールド掘進機の位置を把握することができ、しかも位置計測のために掘進を中断する必要もないため、シールド掘進機の位置及びその経時変化をリアルタイムで高精度に把握することができる。
【００１４】
請求項４の発明に係るシールド掘進機の位置計測方法によれば、既設トンネルにシールドトンネルを接合する施工や、シールド掘進機を到達側立坑に到達させる場合の精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係るシールド掘進機の位置計測方法の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず、最初に説明する第一の形態は、シールド掘進機により構築されるシールドトンネルを既設トンネルと接合する場合について本発明の方法を適用したもので、図１は、第一の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域へ向けて掘進している状態を示す概略的な地中断面図、図２は、同じく第一の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域内を掘進している状態を示す概略的な地中断面図、図３は同じく斜視図、図４は、シールド掘進機と導波棒の位置座標を示す説明図である。
【００１６】
図１、図２及び図３において、参照符号１は地盤、２は地盤１に既に施工された既設トンネル、３は既設トンネル２へ向けて地中を掘進しているシールド掘進機、４は既設トンネル２と接合されるべくシールド掘進機３によって構築された新設のシールドトンネル、４ａはその覆工セグメントである。既設トンネル２の端部である切羽面２ａは、請求項２に記載された掘進到達予定位置に相当し、この切羽面２ａからは、まず、シールド掘進機３の掘進予定位置の周囲へ向けて地盤１へ複数の導波棒５を挿入する。
【００１７】
各導波棒５は、掘進計画基線Ｏを中心として、掘進方向と反対側へ向かって漸次大径となる仮想円錐面上を通るように挿入される。好ましくは図４に示されるように、導波棒５は、掘進計画基線Ｏと直交する平面において、この掘進計画基線Ｏとの交点を原点(０，０)とするｘｙ座標系の各象限、又は掘進計画基線Ｏの上下・左右（ｘ軸上及びｙ軸上）において、図４に一点鎖線で示される掘進計画位置よりも外側を通るように、４本以上挿入される。また、各導波棒５の位置座標は、導波棒５を挿入するためのボーリング孔を削孔した時点で計測しておく。
【００１８】
導波棒５には、弾性波の伝搬に優れ、すなわち減衰が小さく、シールド掘進機３が接触してもその掘進に障害を来さない程度の硬度及び太さを有する金属材料が用いられる。具体例としては、導波棒５としては例えば太さφ20mm程度のアルミニウム棒が好適である。
【００１９】
既設トンネル２の切羽面２ａから露出した各導波棒５の端部には、加速度センサ６を取り付ける。加速度センサ６は、ＡＥセンサとも呼ばれ、物体の破壊や機械振動などにより発生する弾性波であるアコースティック・エミッション（Acoustic
Emission；ＡＥ）を受けて、その入力波形に対応したアナログ電圧信号に変換し、出力するものである。図示の形態においては、シールド掘進機３が掘進する際のカッタ３ａと地盤１との摩擦振動が地盤１中を伝播して導波棒５に伝達された弾性波、あるいはシールド掘進機３のカッタ３ａが導波棒５に接触することによってこの導波棒５に発生した振動を検出するようになっている。
【００２０】
各加速度センサ６からの検出信号は、地上の計測小屋内に設置された複数チャネルのＡＥ計測器７に、それぞれセンサケーブルを介して入力される。ＡＥ計測器７は、検出信号の増幅や、周波数フィルタのカットオフ周波数帯域の設定機能を備え、ＡＥの発生数、最大振幅値の分布等の計測が可能である。また、ＡＥ計測器７からの計測データは、計測小屋内に設置されたパソコン８に入力される。このパソコン８は、各導波棒５間の距離、ＡＥ計測器７からの計測データから、シールド掘進機３の位置を計測するものである。
【００２１】
一般に、地盤１内を伝播する弾性波は、徐々に減衰する特性を有する。したがって、シールド掘進機３で発生した弾性波の振幅値は、導波棒５までの距離Ｌの減少と共に増大し、逆に、Ｌが大きいほど、弾性波の振幅値は小さくなる。
【００２２】
各導波棒５は、掘進方向と反対側へ向かって大径となる仮想円錐面上を通るように挿入されているため、図２に示されるように、シールド掘進機３が各導波棒５に囲まれた領域内を掘進して行く過程では、シールド掘進機３から各導波棒５までの距離が徐々に狭まって行くことになり、このため加速度センサ６で検出される振幅値は大きくなって行く。
【００２３】
そして、図４に示されるように、シールド掘進機３から既知の座標(ｘ１,ｙ１)に位置するＣＨ１の導波棒５までの距離をＬ１、既知の座標(ｘ２,ｙ２)に位置するＣＨ２の導波棒５までの距離をＬ２、既知の座標(ｘ３,ｙ３)に位置するＣＨ３の導波棒５までの距離をＬ３、既知の座標(ｘ４,ｙ４)に位置するＣＨ４の導波棒５までの距離をＬ４とすると、各導波棒５に取り付けられた加速度センサ６からの出力値は、前記距離Ｌ１〜Ｌ４によって異なるものとなる。すなわち、シールド掘進機３から各導波棒５までの距離が短いほど、加速度センサ６で検出される振幅値は大きくなる。このような振幅値の変化は、ＡＥ計測器７で測定した一定時間内の最大振幅値分布から求めた平均振幅値の差として求めることができる。
【００２４】
地盤１内での振動減衰特性を厳密に把握することは困難であり、また、シールド掘進機３で発生する弾性波の大きさを特定することも難しいことなどから、導波棒５とシールド掘進機３との絶対的な距離を計算することはできないが、各導波棒５において振動の伝播距離に逆比例した振幅値が検出されるものと仮定すると、各チャネルＣＨ１〜ＣＨ４の加速度センサ６で検出された振幅値と、各チャネルＣＨ１〜ＣＨ４の導波棒５の既知座標(ｘ１,ｙ１)〜(ｘ４,ｙ４)から、距離Ｌ１〜Ｌ４を求め、これによって実際のシールド掘進機３の位置を計測することができる。ひいては、計画上の座標に対する実際のシールド掘進機３の座標のずれ（Δｘ，Δｙ）を求めることができる。
【００２５】
また、上述のように、シールド掘進機３が各導波棒５に囲まれた領域内を掘進して行くのにつれて、シールド掘進機３から各導波棒５までの距離が徐々に狭まって行くので、計画上の座標に対する実際のシールド掘進機３のずれを生じた場合は、シールド掘進機３が、いずれかの導波棒５と接触したり、カッタ３ａがいずれかの導波棒５を削り取ったりすることがある。この場合は、それまで徐々に振幅が大きくなって来た弾性波とは異なる波形の、かつ大振幅の振動が発生するため、これによって、シールド掘進機３の位置を求めることができる。
【００２６】
したがって、これらの監視データに基づいて、シールド掘進機３の掘進方向を制御し、精度良く到達位置へ誘導することができる。
【００２７】
上述した第一の形態は、シールド掘進機３により構築されるシールドトンネル４を既設トンネル２と接合する場合について、本発明を適用したものであるが、本発明は、既設トンネルへのシールドトンネルの接合以外の施工において、シールド掘進機３の位置を高精度に把握して掘進を誘導する場合についても、適用することができる。
【００２８】
図５は、本発明の第二の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域内を掘進している状態を示す概略的な地中断面図である。この形態は、シールド掘進機３により構築されるシールドトンネル４を到達側立坑１４に到達させる場合について、本発明を適用したもので、すなわち、この第二の形態においては、到達側立坑１４の内壁１４ａが、請求項２に記載された掘進到達予定位置に相当し、導波棒５は、この内壁１４ａから、掘進計画基線Ｏを中心として、掘進方向と反対側へ向かって漸次大径となる仮想円錐面上を通るように挿入される。その他の構成は、基本的に、先に説明した第一の形態と同様である。
【００２９】
この形態によれば、上述と同様に、シールド掘進機３の位置をリアルタイムで計測することができるので、掘進計画位置からのシールド掘進機３のずれを補正して、到達側立坑１４へ高精度で誘導することができる。
【００３０】
次に、図６は、本発明の第三の形態を示す概略的な地中断面図である。この形態は、シールドトンネル構築の中間地点にてシールド掘進機３が所定の位置を通過するかを確認しようとする場合について、本発明を適用したものである。
【００３１】
すなわち、この形態においては、まずシールド掘進機３による掘進方向前方の地上から、地盤１へ所定の深さまで導波棒５を鉛直に挿入する。この導波棒５は、掘進計画基線Ｏと直交するように１本以上挿入するか、もしくは掘進計画位置の左右両側に、シールド掘進機３が通ることのできる間隔をもって、ゲート状に２本以上挿入する。また、地表から露出した各導波棒５の端部には、加速度センサ６を取り付ける。
【００３２】
なお、導波棒５及び加速度センサ６は、第一の形態で説明したものと同様である。
【００３３】
この形態においては、シールド掘進機３が、導波棒５へ接近して行くにつれて、シールド掘進機３から導波棒５までの距離Ｌが短くなって行くので、加速度センサ６で検出される振幅値は大きくなって行く。したがって、先に説明したように、加速度センサ６で検出された振幅値と、地盤１における減衰特性から、距離Ｌを求めることができる。
【００３４】
また、導波棒５を掘進計画基線Ｏと直交するように挿入した場合は、シールド掘進機３が導波棒５の挿入位置に達した時点で、カッタ３ａが導波棒５の一部を削り取るため、その時点で、導波棒５には、それまで徐々に振幅が大きくなって来た弾性波とは異なる波形の、かつ大振幅の振動が発生する。そしてこれによって、シールド掘進機３が既知のポイントを通過したことを確認することができる。
【００３５】
導波棒５を、掘進計画位置の左右両側にシールド掘進機３が通ることのできる間隔をもってゲート状に挿入した場合も、基本的には同様であり、カッタ３ａが導波棒５の一部を削り取るか、あるいは導波棒５と接触することによって、それまで徐々に振幅が大きくなって来た弾性波とは異なる波形の振動が発生するので、シールド掘進機３が既知のポイントを通過したことを確認することができる。またこの場合、ゲート状に挿入された左右両側の導波棒５のうち、いずれの導波棒５が削られ又は接触するかによって、掘進計画位置からのシールド掘進機３のずれを計測し、これを補正することができる。
【００３６】
また、導波棒５を、シールド掘進機３の幅よりも広い間隔をもってゲート状に挿入した場合などは、シールド掘進機３が導波棒５に接触したり、削り取ることなく通過することもあり得る。この場合は、シールド掘進機３が導波棒５に接近する過程では加速度センサ６からの出力電圧値が徐々に高くなり、導波棒５の近傍を通り過ぎた後は加速度センサ６からの出力電圧値が徐々に低下するため、出力電圧値のピークが形成された時点で、シールド掘進機３の通過を把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るシールド掘進機の位置計測方法の、第一の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域へ向けて掘進している状態を示す概略的な地中断面図である。
【図２】本発明に係るシールド掘進機の位置計測方法の、第一の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域内を掘進している状態を示す概略的な地中断面図である。
【図３】図２の状態を示す斜視図である。
【図４】第一の形態におけるシールド掘進機と導波棒の位置座標の例を示す説明図である。
【図５】本発明に係るシールド掘進機の位置計測方法の、第二の形態において、シールド掘進機が各導波棒に囲まれた領域内を掘進している状態を示す概略的な地中断面図である。
【図６】本発明に係るシールド掘進機の位置計測方法の、第三の形態を示す概略的な地中断面図である。
【図７】シールド掘進機を到達側立坑に高精度に到達させるための従来の方法を示す説明図である。
【図８】シールド掘進機を到達側立坑に高精度に到達させるための他の従来の方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 地盤
２ 既設トンネル
２ａ 切羽面
３ シールド掘進機
４ シールドトンネル（シールドトンネル）
５ 導波棒
６ 加速度センサ
７ ＡＥ計測器
８ パソコン
１４ 到達側立坑
Ｏ 掘進計画基線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド掘進機による掘進予定位置又はその周囲を取り囲むように、地中へ所要数の導波棒を挿入し、シールド掘進機から前記導波棒に伝達された振動を、この導波棒に取り付けた加速度センサにより検出し、その検出値によって前記シールド掘進機の位置を求めることを特徴とするシールド掘進機の位置計測方法。
【請求項２】
導波棒を、地中における所定の掘進到達予定位置から、シールド掘進機による掘進計画位置の周囲へ向けて、掘進計画基線と直交する平面における前記掘進計画基線との交点を原点とするｘｙ座標系の各象限又はあるいは掘進計画基線を通るｘ軸及びｙ軸上を通るように複数挿入し、この各導波棒に取り付けた加速度センサからの検出値の差によって前記シールド掘進機の位置を求めることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機の位置計測方法。
【請求項３】
導波棒を、地上からシールド掘進機による掘進予定位置の左右両側又は掘進計画基線へ向けて鉛直に挿入し、この各導波棒の地上端部に取り付けた加速度センサからの検出値の大きさ又は検出値の差によって前記シールド掘進機の位置を求めることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機の位置計測方法。
【請求項４】
導波棒が、既設トンネル又は到達側立坑から挿入されることを特徴とする請求項１又は２に記載のシールド掘進機の位置計測方法。
【請求項１】
シールド掘進機による掘進予定位置又はその周囲を取り囲むように、地中へ所要数の導波棒を挿入し、シールド掘進機から前記導波棒に伝達された振動を、この導波棒に取り付けた加速度センサにより検出し、その検出値によって前記シールド掘進機の位置を求めることを特徴とするシールド掘進機の位置計測方法。
【請求項２】
導波棒を、地中における所定の掘進到達予定位置から、シールド掘進機による掘進計画位置の周囲へ向けて、掘進計画基線と直交する平面における前記掘進計画基線との交点を原点とするｘｙ座標系の各象限又はあるいは掘進計画基線を通るｘ軸及びｙ軸上を通るように複数挿入し、この各導波棒に取り付けた加速度センサからの検出値の差によって前記シールド掘進機の位置を求めることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機の位置計測方法。
【請求項３】
導波棒を、地上からシールド掘進機による掘進予定位置の左右両側又は掘進計画基線へ向けて鉛直に挿入し、この各導波棒の地上端部に取り付けた加速度センサからの検出値の大きさ又は検出値の差によって前記シールド掘進機の位置を求めることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機の位置計測方法。
【請求項４】
導波棒が、既設トンネル又は到達側立坑から挿入されることを特徴とする請求項１又は２に記載のシールド掘進機の位置計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−２８９０３（Ｐ２００６−２８９０３Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０９７６０（Ｐ２００４−２０９７６０）
【出願日】平成１６年７月１６日（２００４．７．１６）
【出願人】（３０２０６０９２６）株式会社フジタ (285)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１６日（２００４．７．１６）
【出願人】（３０２０６０９２６）株式会社フジタ (285)
【Ｆターム（参考）】
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