探査システム、シールド機及びシールド機の掘進工法
【課題】切羽近傍の複数箇所の地山情報を取得し、それら複数の地山情報に基づいて地山の安定度を判定可能な探査システム及びこの探査システムを備えたシールド機並びにこのシールド機を用いた掘進工法を提供する。
【解決手段】シールド機１は、切羽７の安定度を探査するための探査システム８を備えている。探査システム８は、シールド機１の上部に設置された上部探査装置９と、シールド機１の内部に設置された前方探査装置１０と、カッターヘッド２に設置された切削抵抗検出装置と、上部探査装置９、前方探査装置１０及び切削抵抗検出装置により測定された測定結果に基づいて地山Ｅの安定度を判定するための判定装置１２と、各装置の測定結果や判定結果を表示するための表示装置１３と、を備えている。
【解決手段】シールド機１は、切羽７の安定度を探査するための探査システム８を備えている。探査システム８は、シールド機１の上部に設置された上部探査装置９と、シールド機１の内部に設置された前方探査装置１０と、カッターヘッド２に設置された切削抵抗検出装置と、上部探査装置９、前方探査装置１０及び切削抵抗検出装置により測定された測定結果に基づいて地山Ｅの安定度を判定するための判定装置１２と、各装置の測定結果や判定結果を表示するための表示装置１３と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切羽近傍の地山情報を探査するための探査システム及びその探査システムを備えたシールド機並びにそのシールド機を用いた掘進工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シールド工法では、シールド機の進行方向前方又はシールド機直上の地山情報を取得しながらトンネルを掘削する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、シールド機の上部に、シールド機本体の外殻から出没可能にジャッキを設けて、シールド機直上の地山の強度を測定する方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、シールド機の内部に、カッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能にロータリーパーカションドリルを設けて、進行方向前方の地山の強度を測定する方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、カッタービットに歪ゲージを取り付けて、切羽を削孔する際の歪量を測定することにより切削抵抗を検出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実公昭６１−１７１０３号公報
【特許文献２】特開平１０−１３１６８０号公報
【特許文献３】特開２００９−２２１８０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した各方法では、シールド機直上の地山の強度、進行方向前方の地山の強度、地山の切削抵抗のいずれか１つの地山情報しか得ることができない。このため、たとえ自立する地山区間を掘進していても、安全上の観点から、予め設計等により決定された所定の切羽土圧で掘削しなければならないので、掘削抵抗を低減できず、掘進速度を上げることができないという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、切羽近傍の複数箇所の地山情報を取得し、それら複数の地山情報に基づいて地山の安定度を判定可能な探査システム及びこの探査システムを備えたシールド機並びにこのシールド機を用いた掘進工法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、シールド機に設置されて切羽近傍の地山の安定度を探査するための探査システムであって、
前記シールド機内の上部に、前記シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して前記地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、
前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、
前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、
前記上部探査装置、前記前方探査装置及び前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果に基づいて前記地山の安定度を判定するための判定装置と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、シールド機の停止中に、シールド機直上の地山の強度及び進行方向前方の地山の強度等の地山情報を取得し、これらの地山情報に基づいて地山の安定度を判定することができる。さらに、シールド機の掘進中に、切削抵抗等の地山情報を取得し、この地山情報とシールド機の停止中に取得した地山情報とに基づいて、地山の安定度をより正確に判定することができる。
したがって、シールド機の停止中に地山の安定度が高いと判定したにもかかわらず、掘削開始後、停止中に判定した安定度よりも実際の地山の安定度が低いと判定した場合は、予め設計等により決定された所定の切羽土圧で掘削することにより、安全に掘進することができる。
一方、シールド機の停止中に地山の安定度は低いと判定したにもかかわらず、掘削開始後、停止中に判定した安定度よりも実際の地山の安定度が高くて地山が自立すると判定した場合は、予め設計等により決定された所定の切羽土圧よりも低い圧力で掘進することにより、掘削抵抗を低減できて高速掘進が可能となる。
【００１１】
本発明において、前記上部探査装置、前記前方探査装置、前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果、及び前記判定装置による判定結果を表示するための表示装置を更に備えることとすれば、作業員は地山の状況を容易に把握することができる。
【００１２】
また、本発明において、前記上部探査装置は、前記シールド機の進行方向に所定の間隔で複数、設けられていることとしてもよい。
【００１３】
本発明によれば、地山の複数箇所を測定することにより、地山の状態をより正確に把握することができる。
【００１４】
また、本発明において、前記所定の間隔は、セグメントの幅と略同一であることとしてもよい。
【００１５】
本発明によれば、所定の間隔をセグメントの幅と略同一にすることにより、シールド機がセグメント１つ分の距離だけ掘進すると、上部探査装置もセグメント１つ分の距離だけ前進することとなる。したがって、シールド機の掘進後、例えば、前から２番目の上部探査装置は、前から１番目の上部探査装置が前回測定した箇所に到達するため、再び同じ箇所を測定することができる。これにより、地山の同じ箇所を時間をおいて測定することとなるので、シールド機の掘進に伴う地山の変状を検知することができる。
【００１６】
本発明は、前記前方探査装置は、前記シールド機本体内の異なる高さ位置に複数、設けられていることとしてもよい。
【００１７】
本発明によれば、進行方向前方の地山の複数箇所を削孔することにより、掘削対象面全体の強度を把握することができる。
【００１８】
本発明は、地山内を掘進するシールド機であって、
前記シールド機内の上部に、前記シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して前記地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、
前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、
前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、
前記上部探査装置、前記前方探査装置及び前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果に基づいて前記地山の安定度を判定するための判定装置と、
を備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、前記上部探査装置、前記前方探査装置、前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果、及び前記判定装置による判定結果を表示するための表示装置を更に備えることとしてもよい。
【００２０】
本発明は、シールド機内の上部に、当該シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、を備えたシールド機の掘進工法において、
前記シールド機の停止中に、前記上部探査装置を前記シールド機直上の地山へ貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定する貫入工程と、前記前方探査装置で進行方向前方の地山を削孔しながら、その削孔エネルギー及び削孔速度を測定する削孔工程と、を実施し、これら両工程により測定された測定結果に基づいて切羽近傍の前記地山の安定度を判定する第１の判定工程を実施し、
前記シールド機の掘進中に、前記切削抵抗検出装置で前記切羽を切削しながら、前記切羽の切削抵抗を測定する切削工程を実施し、前記貫入工程、前記削孔工程及び前記切削工程により測定された測定結果に基づいて、切羽近傍の前記地山の安定度を判定する第２の判定工程を実施することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、切羽近傍の複数箇所の地山情報を取得し、それら複数の地山情報に基づいて地山の安定度を判定可能な探査システム及びこの探査システムを備えたシールド機並びにこのシールド機を用いた掘進工法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態に係るシールド機の正面図である。
【図２】本実施形態に係るシールド機の上部の側断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】（ａ）は切削抵抗検出装置を先行ビットに取り付けた状態を示す正面図、（ｂ）は切削抵抗検出装置を先行ビットに取り付けた状態を示す側面図、（ｃ）は切削抵抗検出装置を先行ビットに取り付けた状態を示す底面図である。
【図６】（ａ）は切削抵抗検出装置をティースビットに取り付けた状態を示す平面図、（ｂ）は切削抵抗検出装置をティースビットに取り付けた状態を示す正面図、（ｃ）は切削抵抗検出装置をティースビットに取り付けた状態を示す側面図である。
【図７】シールド機による掘進の施工手順を示す図である。
【図８】シールド機による掘進の施工手順を示す図である。
【図９】シールド機による掘進の施工手順を示す図である。
【図１０】シールド機による掘進の施工手順を示す図である。
【図１１】前方探査装置の他の配置例を示す図である。
【図１２】歪ゲージの他の設置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図１及び図２は、それぞれ本実施形態に係るシールド機１の正面図及び上部の側断面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
【００２５】
図１〜図３に示すように、シールド機１は、円形のシールド機１の前面側に回転可能に設けられたカッターヘッド２と、カッターヘッド２を駆動するための駆動源３と、カッターヘッド２と隔壁４との間に形成されるチャンバー５と、掘削土砂をチャンバー５から排出するための排土機構６と、切羽７の安定度を探査するための探査システム８とを備えている。
【００２６】
探査システム８は、シールド機１の上部に設置された上部探査装置９と、シールド機１の内部に設置された前方探査装置１０と、カッターヘッド２に設置された切削抵抗検出装置１１と、上部探査装置９、前方探査装置１０及び切削抵抗検出装置１１により測定された測定結果に基づいて地山Ｅの安定度を判定するための判定装置１２と、各装置９、１０、１１、１２の測定結果や判定結果を表示するための表示装置１３と、を備えている。以下、各装置９、１０、１１、１２についてそれぞれ説明する。
【００２７】
図２に示すように、上部探査装置９は、シールド機１の外殻１ａから出没可能で、シールド機１の上方に位置する地山Ｅに貫入することができる。
【００２８】
この上部探査装置９は、シリンダ１４と、シリンダ１４の伸縮圧を測定するための圧力計（図示しない）と、シリンダ１４の伸縮長を測定するためのストローク計（図示しない）と、から構成されており、地山Ｅへの貫入圧力及び貫入量を測定する。
【００２９】
上部探査装置９（９ａ〜９ｂ）は、シールド機１の進行方向に所定の間隔Ｌで複数台、設けられている。本実施形態においては、所定の間隔Ｌをセグメント２１の１つ分の幅の長さと同じにした。これにより、一の上部探査装置９が貫入する箇所と、シールド機１がセグメント２１の１つ分の距離だけ掘進した後に、当該一の上部探査装置９の後方に隣接する上部探査装置９が貫入する箇所とが同じになる。したがって、地山Ｅの同じ箇所における貫入圧力及び貫入量を、時間をおいて複数回測定することとなる。これによって、シールド機１の上方の地盤変状を把握することが可能となる。
【００３０】
各上部探査装置９ａ〜９ｂの圧力計及びストローク計は、運転室２２内に設置された判定装置１２に接続されており、それぞれの機器で測定された結果は判定装置１２に送信される。
また、判定装置１２は、モニター等の表示装置１３に接続されており、貫入圧力と貫入量との関係がこの表示装置１３に表示される。
【００３１】
図４は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図４に示すように、前方探査装置１０は、カッターヘッド２よりも進行方向前方に出没可能で、シールド機１の前方に位置する地山Ｅを削孔する。
【００３２】
本実施形態においては、この前方探査装置１０として、回転しながら打撃にて地山Ｅを削孔可能な油圧式パーカションドリルを用いた。
【００３３】
前方探査装置１０（１０ａ〜１０ｇ）は、図３に示すように、カッターヘッド２の中心軸２３を中心とする円の同心円上で、かつ、図３に対して右側に複数台、配置されている。これにより、異なる深度の強度を測定することができる。したがって、進行方向の地山Ｅの強度を正確に把握することができる。
【００３４】
前方探査装置１０で地山Ｅを削孔しながら、各前方探査装置１０の打撃エネルギー、打撃数、伝達効率、削孔速度、孔断面積等に基づいて、単位体積あたりの地山Ｅを削孔するために必要な削孔エネルギーを下記の式（１）により算出する。
Ｅｄ＝（Ｅｐ×Ｎｐ×Ｔ）／（Ｖｄ×Ｓ）・・・（１）
ここで、Ｅｄ：削孔エネルギー（Ｊ／ｃｍ３）、Ｅｐ：打撃エネルギー（Ｊ）、Ｎｐ：打撃数（ｂｐｍ）、Ｔ：伝達効率（％）、Ｖｄ：削孔速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、Ｓ：孔断面積（ｃｍ２）である。なお、打撃エネルギー、打撃数、伝達効率、孔断面積等の削孔条件は、予め設計等により決定される。
【００３５】
各前方探査装置１０は、地山Ｅを削孔しながら削孔速度を測定し、削孔エネルギーをリアルタイムに算出する。
【００３６】
各前方探査装置１０は、運転室２２内に設置された判定装置１２に接続されており、各前方探査装置１０の削孔条件データ、削孔速度及び削孔エネルギー値は判定装置１２に送信される。
また、判定装置１２に接続されている表示装置１３には、削孔条件、削孔速度及び削孔エネルギー値が表示される。
【００３７】
図１に示すように、カッターヘッド２は、中心軸２３と、中心軸２３を中心にして等角度おきに放射状に設置された１２本のスポーク１５と、スポーク１５の中央部に取り付けられた先行ビット１６と、スポーク１５の両側に取り付けられたティースビット１７と、から構成される。
【００３８】
カッターヘッド２を回転させると、先行ビット１６で切羽７を掘削することにより形成された溝の間を、後続するティースビット１７で掘削することにより、断面が円形状のトンネルを掘削することができる。
【００３９】
図５は、先行ビット１６に切削抵抗検出装置１１ａを取り付けた状態を示す図である。
図５に示すように、切削抵抗検出装置１１ａは、先行ビット１６の側面１６ａ、１６ｂの下部に取り付けられた歪ゲージ１８と、一端が歪ゲージ１８に、他端が判定装置１２に接続された電線１９と、から構成されている。
【００４０】
歪ゲージ１８は、カッターヘッド２の回転方向前方側の側面１６ａ及びこの側面１６aと反対側の側面１６ｂのそれぞれの下部に取り付けられている。
【００４１】
電線１９は、スポーク１５の表面側から内部へ外殻１５ａを貫通するように設置されている。
【００４２】
切羽７を切削するために、カッターヘッド２を回転させて先行ビット１６を切羽７に当接させると、先行ビット１６に反力が作用する。そして、その反力によって引張歪及び圧縮歪が先行ビット１６に生じる。これらの歪量は、歪ゲージ１８により測定され、その測定結果は電線１９を介して判定装置１２に送信される。
【００４３】
図６は、ティースビット１７に切削抵抗検出装置１１ｂを取り付けた状態を示す図である。
図６に示すように、切削抵抗検出装置１１ｂは、ティースビット１７を支持するためのホルダー２０の下端面に取り付けられた歪ゲージ２５と、一端が歪ゲージ２５に、他端が判定装置１２に接続された電線２６と、から構成されている。
【００４４】
電線２６も電線１９と同様に、スポーク１５の表面側から内部へ外殻１５ａを貫通するように設置されている。
【００４５】
切羽７を切削するために、カッターヘッド２を回転させてティースビット１７を切羽７に当接させると、ティースビット１７に反力が作用する。そして、この反力が、ピン２４を介してホルダー２０に伝達されることによって。ホルダー２０に歪みが生じる。この歪量は、歪ゲージ２５により測定され、その測定結果は電線２６を介して判定装置１２に送信される。
【００４６】
判定装置１２は、掘進中に、先行ビット１６及びティースビット１７の歪量に基づいて周知の手法により、掘削抵抗をリアルタイムに算出する。
【００４７】
また、判定装置１２は、シールド機１の停止中に、各上部探査装置９から得られた貫入圧力及び貫入量と、各前方探査装置１０から得られた削孔条件データ、削孔速度及び削孔エネルギー値と、に基づいて、地山Ｅの安定度を判別する。具体的には、自立する地山及び自立しない地山におけるそれぞれの貫入圧力、貫入量、削孔条件データ、削孔速度及び削孔エネルギー値等を予め取得して記憶し、これらの測定結果と、現場にて上部探査装置９及び前方探査装置１０から得られた測定結果と、を比較して、地山Ｅの自立の可否を安定度として判別する。
【００４８】
この判別結果に基づいてシールド機１の切羽土圧、掘進速度等の掘進条件を設定し、その後、掘進を開始する。
【００４９】
掘進中は、判定装置１２が、先行ビット１６及びティースビット１７の歪量に基づいて、常時、掘削抵抗を算出し、この算出結果と、停止時に上部探査装置９及び前方探査装置１０から得られた測定結果と、に基づいて地山Ｅの安定度を判別する。具体的には、自立する地山及び自立しない地山における先行ビット１６及びティースビット１７の歪量を予め取得して記憶し、これらの測定結果と、掘進中に取得された先行ビット１６及びティースビット１７の歪量と、を比較するとともに、停止中に上部探査装置９及び前方探査装置１０から得られた測定結果を参考にして、掘進中の地山Ｅの自立の可否についてより正確に判別する。
このように、掘進中に得られる判別結果に基づいて、切羽土圧、加泥材の添加量、排土量、掘進速度等の掘進条件を再調整しながら、掘進を継続する。例えば、地山Ｅの安定度が低い（例えば、軟弱地盤）場合には、所定の切羽土圧を設定し、加泥材添加量の注入率、或いは排土量の調整を行って、地山Ｅの安定を確保する。一方、地山Ｅの安定度が高い（例えば、硬質地盤）場合には、切羽土圧を低くして、加泥材添加量、或いは排土量の調整を行って掘進速度を増加させる。
【００５０】
次に、上述した構成からなるシールド機１の掘進工法について、施工手順にしたがって説明する。
【００５１】
図７〜図１０は、シールド機１による掘進の施工手順を示す図である。
まず、図７に示すように、セグメント２１を設置する際等のシールド機１の停止中に、各上部探査装置９（９ａ〜９ｃ）を地山Ｅへ貫入して、その貫入圧力及び貫入量を測定する貫入工程を実施する。
測定結果は、判定装置１２に送信され、運転室２２内のその表示装置１３に表示される。
【００５２】
次に、図８に示すように、シールド機１の停止中に、各前方探査装置１０（１０ａ〜１０ｇ）をカッターヘッド２よりも進行方向前方に出没させて、進行方向の地山Ｅを削孔する削孔工程を実施する。
【００５３】
地山Ｅを削孔する際の各前方探査装置１０（１０ａ〜１０ｇ）の削孔条件データ、削孔速度及び削孔エネルギー値は、判定装置１２に送信され、運転室２２内のその表示装置１３に表示される。
【００５４】
なお、本実施形態においては、貫入工程の後に削孔工程を実施する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、削孔工程の後に貫入工程を実施したり、両工程を同時に実施したりしてもよい。要は、シールド機１の停止中に両工程を実施すればよい。
【００５５】
次に、貫入工程及び削孔工程で得られた結果に基づいて、判定装置１２が、進行方向前方及びシールド機１直上の切羽７近傍の地山Ｅの安定度を判定する第１の判定工程を実施する。具体的には、地山Ｅの自立の可否について判別する。
そして、第１の判定工程による判定結果に基づいて、切羽土圧、加泥材の添加量、排土量、掘進速度等の掘進条件を決定する。掘進条件をシールド機１に入力した後、シールド機１を掘進させる。
【００５６】
次に、図９に示すように、シールド機１を掘進させて、先行ビット１６及びティースビット１７で切羽７を切削しながら、両切削抵抗検出装置１１ａ、１１ｂで歪量を測定する切削工程を実施する。
測定結果は、判定装置１２に送信され、運転室２２内のその表示装置１３に表示される。
【００５７】
両切削抵抗検出装置１１ａ、１１ｂにより測定された結果に基づいて判定装置１２により、掘削抵抗をリアルタイムに算出し、この掘削抵抗に基づいてより正確に地山Ｅの安定度を判別する第２の判定工程を実施する。具体的には、地山Ｅの自立の可否について、第１の判定工程よりも正確に判別する。
【００５８】
そして、第２の判別工程による判定結果に基づいて、シールド機１の掘進速度を設定するとともに、切羽土圧、加泥材の添加量、排土量等の掘進条件を再調整する。
【００５９】
次に、図１０に示すように、シールド機１が所定の距離Ｌだけ進行したら掘進を停止し、シールド機１のテール部に新しいセグメント２１ｄを設置する。
【００６０】
次に、切削工程の測定結果を考慮しながら、上記貫入工程と同様に、各上部探査装置９（９ａ〜９ｃ）を地山Ｅへ貫入して、その貫入圧力及び貫入量を測定する。このとき、上部探査装置９ｂ、９ｃは、上記貫入工程において、それぞれ上部探査装置９ａ、９ｂにて前回測定した箇所（図１０中のＮｏ．１貫入位置及びＮｏ．２貫入位置）を再び測定することとなる。
測定結果は、判定装置１２に送信され、さらに運転室２２内のその表示装置１３に表示されて、前回の測定結果と比較し、地山Ｅの安定度の判定に利用される。
【００６１】
また、シールド機１の停止中に削孔工程も実施し、貫入工程及び削孔工程で得られた結果に基づいて、判定装置１２が、切羽７近傍の地山Ｅの安定度を判定する第１の判定工程を再び実施する。
【００６２】
なお、前回の削孔工程において、シールド機１の１回の掘進距離よりも長い距離（例えば、３０ｍ程度）を削孔した場合においては、シールド機１が、削孔済み地山区間を通過する間は削孔工程を省いてもよい。
【００６３】
以上のように、シールド機１の停止中に、貫入工程及び削孔工程を実施してその結果に基づいて第１の判定工程を実施し、シールド機１の掘進中に、切削工程を実施しながら、その結果に基づいて第２の判定工程を実施することを繰り返してトンネルを構築する。
【００６４】
なお、本実施形態においては、上部探査装置９（９ａ〜９ｃ）を設置する所定の間隔Ｌをセグメント２１の１つ分の幅の長さとした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、シールド機１が１回の掘進で進む距離と同じになるように設定されていればよい。
【００６５】
なお、本実施形態においては、前方探査装置１０（１０ａ〜１０ｇ）をカッターヘッド２の中心軸２３を中心とする同心円上で、かつ、シールド機１の片側にのみ配置したが、この位置に限定されるものではない。例えば、図１１に示すように、シールド機１内の左右両側に交互に設置してもよく、要は、異なる高さに設けられていればよい。
【００６６】
なお、本実施形態においては、歪ゲージ２５をホルダー２０の下端面に取り付けた場合について説明したが、この位置に限定されるものではなく、図１２に示すように、ティースビット１７の側面１７ａ等に取り付けてもよい。
【００６７】
上述したシールド機１によれば、シールド機１の停止中に、シールド機１直上の地山Ｅの強度及び進行方向前方の地山Ｅの強度等の地山情報を取得し、これらの地山情報に基づいて地山Ｅの安定度を判定することができる。さらに、シールド機１の掘進中に、切削抵抗等の地山情報を取得し、この地山情報とシールド機１の停止中に取得した地山情報とに基づいて、地山Ｅの安定度をより正確に判定することができる。
したがって、シールド機１の停止中に地山Ｅの安定度が高いと判定したにもかかわらず、掘削開始後、停止中に判定した安定度よりも実際の地山Ｅの安定度が低いと判定した場合は、所定の切羽土圧で掘削することにより、安全に掘進することができる。
一方、シールド機１の停止中に地山Ｅの安定度は低いと判定したにもかかわらず、掘削開始後、停止中に判定した安定度よりも実際の地山Ｅの安定度が高くて地山Ｅが自立すると判定した場合は、予め設計等により決定された切羽土圧よりも低い圧力で掘進することにより、掘削抵抗を低減できて高速掘進が可能となる。
【００６８】
また、上部探査装置９、前方探査装置１０、切削抵抗検出装置１１により測定された測定結果を表示装置１３で表示するので、作業員が地山Ｅの状況を容易に把握することができる。
【００６９】
また、判定装置１２による判定結果も表示装置１３で表示するので、地山Ｅの安定度を容易に把握することができる。
【００７０】
また、上部探査装置９を配置する所定の間隔Ｌをセグメント２１の幅の長さと略同一にすることにより、シールド機１がセグメント２１の１つ分の距離だけ掘進すると、上部探査装置９もセグメント２１の１つ分の距離だけ前進することとなる。したがって、シールド機１直上の地山Ｅの同じ箇所を複数回、測定することができる。これにより、同じ箇所を時間をおいて測定することとなるので、シールド機１の掘進に伴う地山Ｅの変状を検知することができる。
【００７１】
また、前方探査装置１０で進行方向前方の地山Ｅの複数箇所を削孔することにより、掘削対象面全体の強度を把握することができる。
【００７２】
また、切削工程の測定結果を次の貫入工程及び削孔工程における測定結果に反映することができるので、これらの測定結果の精度を向上させることができる。
【００７３】
また、本実施形態においては、地山Ｅの安定度を判定装置１２で判定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、人間が判定してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１ シールド機
１ａ 外殻
２ カッターヘッド
３ 駆動源
４ 隔壁
５ チャンバー
６ 排土機構
７ 切羽
８ 探査システム
９ 上部探査装置
９ａ〜９ｃ 各上部探査装置
１０ 前方探査装置
１０ａ〜１０ｇ 各前方探査装置
１１ 切削抵抗検出装置
１１ａ、１１ｂ 各切削抵抗検出装置
１２ 判定装置
１３ 表示装置
１４ シリンダ
１５ スポーク
１５ａ 外殻
１６ 先行ビット
１６ａ、１６ｂ 側面
１７ ティースビット
１７ａ 側面
１８ 歪ゲージ
１９ 電線
２０ ホルダー
２１ セグメント
２１ａ〜２１ｄ 各セグメント
２２ 運転室
２３ 回転軸
２４ ピン
２５ 歪ゲージ
２６ 電線
Ｅ 地山
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切羽近傍の地山情報を探査するための探査システム及びその探査システムを備えたシールド機並びにそのシールド機を用いた掘進工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シールド工法では、シールド機の進行方向前方又はシールド機直上の地山情報を取得しながらトンネルを掘削する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、シールド機の上部に、シールド機本体の外殻から出没可能にジャッキを設けて、シールド機直上の地山の強度を測定する方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、シールド機の内部に、カッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能にロータリーパーカションドリルを設けて、進行方向前方の地山の強度を測定する方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、カッタービットに歪ゲージを取り付けて、切羽を削孔する際の歪量を測定することにより切削抵抗を検出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実公昭６１−１７１０３号公報
【特許文献２】特開平１０−１３１６８０号公報
【特許文献３】特開２００９−２２１８０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した各方法では、シールド機直上の地山の強度、進行方向前方の地山の強度、地山の切削抵抗のいずれか１つの地山情報しか得ることができない。このため、たとえ自立する地山区間を掘進していても、安全上の観点から、予め設計等により決定された所定の切羽土圧で掘削しなければならないので、掘削抵抗を低減できず、掘進速度を上げることができないという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、切羽近傍の複数箇所の地山情報を取得し、それら複数の地山情報に基づいて地山の安定度を判定可能な探査システム及びこの探査システムを備えたシールド機並びにこのシールド機を用いた掘進工法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、シールド機に設置されて切羽近傍の地山の安定度を探査するための探査システムであって、
前記シールド機内の上部に、前記シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して前記地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、
前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、
前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、
前記上部探査装置、前記前方探査装置及び前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果に基づいて前記地山の安定度を判定するための判定装置と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、シールド機の停止中に、シールド機直上の地山の強度及び進行方向前方の地山の強度等の地山情報を取得し、これらの地山情報に基づいて地山の安定度を判定することができる。さらに、シールド機の掘進中に、切削抵抗等の地山情報を取得し、この地山情報とシールド機の停止中に取得した地山情報とに基づいて、地山の安定度をより正確に判定することができる。
したがって、シールド機の停止中に地山の安定度が高いと判定したにもかかわらず、掘削開始後、停止中に判定した安定度よりも実際の地山の安定度が低いと判定した場合は、予め設計等により決定された所定の切羽土圧で掘削することにより、安全に掘進することができる。
一方、シールド機の停止中に地山の安定度は低いと判定したにもかかわらず、掘削開始後、停止中に判定した安定度よりも実際の地山の安定度が高くて地山が自立すると判定した場合は、予め設計等により決定された所定の切羽土圧よりも低い圧力で掘進することにより、掘削抵抗を低減できて高速掘進が可能となる。
【００１１】
本発明において、前記上部探査装置、前記前方探査装置、前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果、及び前記判定装置による判定結果を表示するための表示装置を更に備えることとすれば、作業員は地山の状況を容易に把握することができる。
【００１２】
また、本発明において、前記上部探査装置は、前記シールド機の進行方向に所定の間隔で複数、設けられていることとしてもよい。
【００１３】
本発明によれば、地山の複数箇所を測定することにより、地山の状態をより正確に把握することができる。
【００１４】
また、本発明において、前記所定の間隔は、セグメントの幅と略同一であることとしてもよい。
【００１５】
本発明によれば、所定の間隔をセグメントの幅と略同一にすることにより、シールド機がセグメント１つ分の距離だけ掘進すると、上部探査装置もセグメント１つ分の距離だけ前進することとなる。したがって、シールド機の掘進後、例えば、前から２番目の上部探査装置は、前から１番目の上部探査装置が前回測定した箇所に到達するため、再び同じ箇所を測定することができる。これにより、地山の同じ箇所を時間をおいて測定することとなるので、シールド機の掘進に伴う地山の変状を検知することができる。
【００１６】
本発明は、前記前方探査装置は、前記シールド機本体内の異なる高さ位置に複数、設けられていることとしてもよい。
【００１７】
本発明によれば、進行方向前方の地山の複数箇所を削孔することにより、掘削対象面全体の強度を把握することができる。
【００１８】
本発明は、地山内を掘進するシールド機であって、
前記シールド機内の上部に、前記シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して前記地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、
前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、
前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、
前記上部探査装置、前記前方探査装置及び前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果に基づいて前記地山の安定度を判定するための判定装置と、
を備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、前記上部探査装置、前記前方探査装置、前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果、及び前記判定装置による判定結果を表示するための表示装置を更に備えることとしてもよい。
【００２０】
本発明は、シールド機内の上部に、当該シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、を備えたシールド機の掘進工法において、
前記シールド機の停止中に、前記上部探査装置を前記シールド機直上の地山へ貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定する貫入工程と、前記前方探査装置で進行方向前方の地山を削孔しながら、その削孔エネルギー及び削孔速度を測定する削孔工程と、を実施し、これら両工程により測定された測定結果に基づいて切羽近傍の前記地山の安定度を判定する第１の判定工程を実施し、
前記シールド機の掘進中に、前記切削抵抗検出装置で前記切羽を切削しながら、前記切羽の切削抵抗を測定する切削工程を実施し、前記貫入工程、前記削孔工程及び前記切削工程により測定された測定結果に基づいて、切羽近傍の前記地山の安定度を判定する第２の判定工程を実施することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、切羽近傍の複数箇所の地山情報を取得し、それら複数の地山情報に基づいて地山の安定度を判定可能な探査システム及びこの探査システムを備えたシールド機並びにこのシールド機を用いた掘進工法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態に係るシールド機の正面図である。
【図２】本実施形態に係るシールド機の上部の側断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】（ａ）は切削抵抗検出装置を先行ビットに取り付けた状態を示す正面図、（ｂ）は切削抵抗検出装置を先行ビットに取り付けた状態を示す側面図、（ｃ）は切削抵抗検出装置を先行ビットに取り付けた状態を示す底面図である。
【図６】（ａ）は切削抵抗検出装置をティースビットに取り付けた状態を示す平面図、（ｂ）は切削抵抗検出装置をティースビットに取り付けた状態を示す正面図、（ｃ）は切削抵抗検出装置をティースビットに取り付けた状態を示す側面図である。
【図７】シールド機による掘進の施工手順を示す図である。
【図８】シールド機による掘進の施工手順を示す図である。
【図９】シールド機による掘進の施工手順を示す図である。
【図１０】シールド機による掘進の施工手順を示す図である。
【図１１】前方探査装置の他の配置例を示す図である。
【図１２】歪ゲージの他の設置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図１及び図２は、それぞれ本実施形態に係るシールド機１の正面図及び上部の側断面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
【００２５】
図１〜図３に示すように、シールド機１は、円形のシールド機１の前面側に回転可能に設けられたカッターヘッド２と、カッターヘッド２を駆動するための駆動源３と、カッターヘッド２と隔壁４との間に形成されるチャンバー５と、掘削土砂をチャンバー５から排出するための排土機構６と、切羽７の安定度を探査するための探査システム８とを備えている。
【００２６】
探査システム８は、シールド機１の上部に設置された上部探査装置９と、シールド機１の内部に設置された前方探査装置１０と、カッターヘッド２に設置された切削抵抗検出装置１１と、上部探査装置９、前方探査装置１０及び切削抵抗検出装置１１により測定された測定結果に基づいて地山Ｅの安定度を判定するための判定装置１２と、各装置９、１０、１１、１２の測定結果や判定結果を表示するための表示装置１３と、を備えている。以下、各装置９、１０、１１、１２についてそれぞれ説明する。
【００２７】
図２に示すように、上部探査装置９は、シールド機１の外殻１ａから出没可能で、シールド機１の上方に位置する地山Ｅに貫入することができる。
【００２８】
この上部探査装置９は、シリンダ１４と、シリンダ１４の伸縮圧を測定するための圧力計（図示しない）と、シリンダ１４の伸縮長を測定するためのストローク計（図示しない）と、から構成されており、地山Ｅへの貫入圧力及び貫入量を測定する。
【００２９】
上部探査装置９（９ａ〜９ｂ）は、シールド機１の進行方向に所定の間隔Ｌで複数台、設けられている。本実施形態においては、所定の間隔Ｌをセグメント２１の１つ分の幅の長さと同じにした。これにより、一の上部探査装置９が貫入する箇所と、シールド機１がセグメント２１の１つ分の距離だけ掘進した後に、当該一の上部探査装置９の後方に隣接する上部探査装置９が貫入する箇所とが同じになる。したがって、地山Ｅの同じ箇所における貫入圧力及び貫入量を、時間をおいて複数回測定することとなる。これによって、シールド機１の上方の地盤変状を把握することが可能となる。
【００３０】
各上部探査装置９ａ〜９ｂの圧力計及びストローク計は、運転室２２内に設置された判定装置１２に接続されており、それぞれの機器で測定された結果は判定装置１２に送信される。
また、判定装置１２は、モニター等の表示装置１３に接続されており、貫入圧力と貫入量との関係がこの表示装置１３に表示される。
【００３１】
図４は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図４に示すように、前方探査装置１０は、カッターヘッド２よりも進行方向前方に出没可能で、シールド機１の前方に位置する地山Ｅを削孔する。
【００３２】
本実施形態においては、この前方探査装置１０として、回転しながら打撃にて地山Ｅを削孔可能な油圧式パーカションドリルを用いた。
【００３３】
前方探査装置１０（１０ａ〜１０ｇ）は、図３に示すように、カッターヘッド２の中心軸２３を中心とする円の同心円上で、かつ、図３に対して右側に複数台、配置されている。これにより、異なる深度の強度を測定することができる。したがって、進行方向の地山Ｅの強度を正確に把握することができる。
【００３４】
前方探査装置１０で地山Ｅを削孔しながら、各前方探査装置１０の打撃エネルギー、打撃数、伝達効率、削孔速度、孔断面積等に基づいて、単位体積あたりの地山Ｅを削孔するために必要な削孔エネルギーを下記の式（１）により算出する。
Ｅｄ＝（Ｅｐ×Ｎｐ×Ｔ）／（Ｖｄ×Ｓ）・・・（１）
ここで、Ｅｄ：削孔エネルギー（Ｊ／ｃｍ３）、Ｅｐ：打撃エネルギー（Ｊ）、Ｎｐ：打撃数（ｂｐｍ）、Ｔ：伝達効率（％）、Ｖｄ：削孔速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、Ｓ：孔断面積（ｃｍ２）である。なお、打撃エネルギー、打撃数、伝達効率、孔断面積等の削孔条件は、予め設計等により決定される。
【００３５】
各前方探査装置１０は、地山Ｅを削孔しながら削孔速度を測定し、削孔エネルギーをリアルタイムに算出する。
【００３６】
各前方探査装置１０は、運転室２２内に設置された判定装置１２に接続されており、各前方探査装置１０の削孔条件データ、削孔速度及び削孔エネルギー値は判定装置１２に送信される。
また、判定装置１２に接続されている表示装置１３には、削孔条件、削孔速度及び削孔エネルギー値が表示される。
【００３７】
図１に示すように、カッターヘッド２は、中心軸２３と、中心軸２３を中心にして等角度おきに放射状に設置された１２本のスポーク１５と、スポーク１５の中央部に取り付けられた先行ビット１６と、スポーク１５の両側に取り付けられたティースビット１７と、から構成される。
【００３８】
カッターヘッド２を回転させると、先行ビット１６で切羽７を掘削することにより形成された溝の間を、後続するティースビット１７で掘削することにより、断面が円形状のトンネルを掘削することができる。
【００３９】
図５は、先行ビット１６に切削抵抗検出装置１１ａを取り付けた状態を示す図である。
図５に示すように、切削抵抗検出装置１１ａは、先行ビット１６の側面１６ａ、１６ｂの下部に取り付けられた歪ゲージ１８と、一端が歪ゲージ１８に、他端が判定装置１２に接続された電線１９と、から構成されている。
【００４０】
歪ゲージ１８は、カッターヘッド２の回転方向前方側の側面１６ａ及びこの側面１６aと反対側の側面１６ｂのそれぞれの下部に取り付けられている。
【００４１】
電線１９は、スポーク１５の表面側から内部へ外殻１５ａを貫通するように設置されている。
【００４２】
切羽７を切削するために、カッターヘッド２を回転させて先行ビット１６を切羽７に当接させると、先行ビット１６に反力が作用する。そして、その反力によって引張歪及び圧縮歪が先行ビット１６に生じる。これらの歪量は、歪ゲージ１８により測定され、その測定結果は電線１９を介して判定装置１２に送信される。
【００４３】
図６は、ティースビット１７に切削抵抗検出装置１１ｂを取り付けた状態を示す図である。
図６に示すように、切削抵抗検出装置１１ｂは、ティースビット１７を支持するためのホルダー２０の下端面に取り付けられた歪ゲージ２５と、一端が歪ゲージ２５に、他端が判定装置１２に接続された電線２６と、から構成されている。
【００４４】
電線２６も電線１９と同様に、スポーク１５の表面側から内部へ外殻１５ａを貫通するように設置されている。
【００４５】
切羽７を切削するために、カッターヘッド２を回転させてティースビット１７を切羽７に当接させると、ティースビット１７に反力が作用する。そして、この反力が、ピン２４を介してホルダー２０に伝達されることによって。ホルダー２０に歪みが生じる。この歪量は、歪ゲージ２５により測定され、その測定結果は電線２６を介して判定装置１２に送信される。
【００４６】
判定装置１２は、掘進中に、先行ビット１６及びティースビット１７の歪量に基づいて周知の手法により、掘削抵抗をリアルタイムに算出する。
【００４７】
また、判定装置１２は、シールド機１の停止中に、各上部探査装置９から得られた貫入圧力及び貫入量と、各前方探査装置１０から得られた削孔条件データ、削孔速度及び削孔エネルギー値と、に基づいて、地山Ｅの安定度を判別する。具体的には、自立する地山及び自立しない地山におけるそれぞれの貫入圧力、貫入量、削孔条件データ、削孔速度及び削孔エネルギー値等を予め取得して記憶し、これらの測定結果と、現場にて上部探査装置９及び前方探査装置１０から得られた測定結果と、を比較して、地山Ｅの自立の可否を安定度として判別する。
【００４８】
この判別結果に基づいてシールド機１の切羽土圧、掘進速度等の掘進条件を設定し、その後、掘進を開始する。
【００４９】
掘進中は、判定装置１２が、先行ビット１６及びティースビット１７の歪量に基づいて、常時、掘削抵抗を算出し、この算出結果と、停止時に上部探査装置９及び前方探査装置１０から得られた測定結果と、に基づいて地山Ｅの安定度を判別する。具体的には、自立する地山及び自立しない地山における先行ビット１６及びティースビット１７の歪量を予め取得して記憶し、これらの測定結果と、掘進中に取得された先行ビット１６及びティースビット１７の歪量と、を比較するとともに、停止中に上部探査装置９及び前方探査装置１０から得られた測定結果を参考にして、掘進中の地山Ｅの自立の可否についてより正確に判別する。
このように、掘進中に得られる判別結果に基づいて、切羽土圧、加泥材の添加量、排土量、掘進速度等の掘進条件を再調整しながら、掘進を継続する。例えば、地山Ｅの安定度が低い（例えば、軟弱地盤）場合には、所定の切羽土圧を設定し、加泥材添加量の注入率、或いは排土量の調整を行って、地山Ｅの安定を確保する。一方、地山Ｅの安定度が高い（例えば、硬質地盤）場合には、切羽土圧を低くして、加泥材添加量、或いは排土量の調整を行って掘進速度を増加させる。
【００５０】
次に、上述した構成からなるシールド機１の掘進工法について、施工手順にしたがって説明する。
【００５１】
図７〜図１０は、シールド機１による掘進の施工手順を示す図である。
まず、図７に示すように、セグメント２１を設置する際等のシールド機１の停止中に、各上部探査装置９（９ａ〜９ｃ）を地山Ｅへ貫入して、その貫入圧力及び貫入量を測定する貫入工程を実施する。
測定結果は、判定装置１２に送信され、運転室２２内のその表示装置１３に表示される。
【００５２】
次に、図８に示すように、シールド機１の停止中に、各前方探査装置１０（１０ａ〜１０ｇ）をカッターヘッド２よりも進行方向前方に出没させて、進行方向の地山Ｅを削孔する削孔工程を実施する。
【００５３】
地山Ｅを削孔する際の各前方探査装置１０（１０ａ〜１０ｇ）の削孔条件データ、削孔速度及び削孔エネルギー値は、判定装置１２に送信され、運転室２２内のその表示装置１３に表示される。
【００５４】
なお、本実施形態においては、貫入工程の後に削孔工程を実施する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、削孔工程の後に貫入工程を実施したり、両工程を同時に実施したりしてもよい。要は、シールド機１の停止中に両工程を実施すればよい。
【００５５】
次に、貫入工程及び削孔工程で得られた結果に基づいて、判定装置１２が、進行方向前方及びシールド機１直上の切羽７近傍の地山Ｅの安定度を判定する第１の判定工程を実施する。具体的には、地山Ｅの自立の可否について判別する。
そして、第１の判定工程による判定結果に基づいて、切羽土圧、加泥材の添加量、排土量、掘進速度等の掘進条件を決定する。掘進条件をシールド機１に入力した後、シールド機１を掘進させる。
【００５６】
次に、図９に示すように、シールド機１を掘進させて、先行ビット１６及びティースビット１７で切羽７を切削しながら、両切削抵抗検出装置１１ａ、１１ｂで歪量を測定する切削工程を実施する。
測定結果は、判定装置１２に送信され、運転室２２内のその表示装置１３に表示される。
【００５７】
両切削抵抗検出装置１１ａ、１１ｂにより測定された結果に基づいて判定装置１２により、掘削抵抗をリアルタイムに算出し、この掘削抵抗に基づいてより正確に地山Ｅの安定度を判別する第２の判定工程を実施する。具体的には、地山Ｅの自立の可否について、第１の判定工程よりも正確に判別する。
【００５８】
そして、第２の判別工程による判定結果に基づいて、シールド機１の掘進速度を設定するとともに、切羽土圧、加泥材の添加量、排土量等の掘進条件を再調整する。
【００５９】
次に、図１０に示すように、シールド機１が所定の距離Ｌだけ進行したら掘進を停止し、シールド機１のテール部に新しいセグメント２１ｄを設置する。
【００６０】
次に、切削工程の測定結果を考慮しながら、上記貫入工程と同様に、各上部探査装置９（９ａ〜９ｃ）を地山Ｅへ貫入して、その貫入圧力及び貫入量を測定する。このとき、上部探査装置９ｂ、９ｃは、上記貫入工程において、それぞれ上部探査装置９ａ、９ｂにて前回測定した箇所（図１０中のＮｏ．１貫入位置及びＮｏ．２貫入位置）を再び測定することとなる。
測定結果は、判定装置１２に送信され、さらに運転室２２内のその表示装置１３に表示されて、前回の測定結果と比較し、地山Ｅの安定度の判定に利用される。
【００６１】
また、シールド機１の停止中に削孔工程も実施し、貫入工程及び削孔工程で得られた結果に基づいて、判定装置１２が、切羽７近傍の地山Ｅの安定度を判定する第１の判定工程を再び実施する。
【００６２】
なお、前回の削孔工程において、シールド機１の１回の掘進距離よりも長い距離（例えば、３０ｍ程度）を削孔した場合においては、シールド機１が、削孔済み地山区間を通過する間は削孔工程を省いてもよい。
【００６３】
以上のように、シールド機１の停止中に、貫入工程及び削孔工程を実施してその結果に基づいて第１の判定工程を実施し、シールド機１の掘進中に、切削工程を実施しながら、その結果に基づいて第２の判定工程を実施することを繰り返してトンネルを構築する。
【００６４】
なお、本実施形態においては、上部探査装置９（９ａ〜９ｃ）を設置する所定の間隔Ｌをセグメント２１の１つ分の幅の長さとした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、シールド機１が１回の掘進で進む距離と同じになるように設定されていればよい。
【００６５】
なお、本実施形態においては、前方探査装置１０（１０ａ〜１０ｇ）をカッターヘッド２の中心軸２３を中心とする同心円上で、かつ、シールド機１の片側にのみ配置したが、この位置に限定されるものではない。例えば、図１１に示すように、シールド機１内の左右両側に交互に設置してもよく、要は、異なる高さに設けられていればよい。
【００６６】
なお、本実施形態においては、歪ゲージ２５をホルダー２０の下端面に取り付けた場合について説明したが、この位置に限定されるものではなく、図１２に示すように、ティースビット１７の側面１７ａ等に取り付けてもよい。
【００６７】
上述したシールド機１によれば、シールド機１の停止中に、シールド機１直上の地山Ｅの強度及び進行方向前方の地山Ｅの強度等の地山情報を取得し、これらの地山情報に基づいて地山Ｅの安定度を判定することができる。さらに、シールド機１の掘進中に、切削抵抗等の地山情報を取得し、この地山情報とシールド機１の停止中に取得した地山情報とに基づいて、地山Ｅの安定度をより正確に判定することができる。
したがって、シールド機１の停止中に地山Ｅの安定度が高いと判定したにもかかわらず、掘削開始後、停止中に判定した安定度よりも実際の地山Ｅの安定度が低いと判定した場合は、所定の切羽土圧で掘削することにより、安全に掘進することができる。
一方、シールド機１の停止中に地山Ｅの安定度は低いと判定したにもかかわらず、掘削開始後、停止中に判定した安定度よりも実際の地山Ｅの安定度が高くて地山Ｅが自立すると判定した場合は、予め設計等により決定された切羽土圧よりも低い圧力で掘進することにより、掘削抵抗を低減できて高速掘進が可能となる。
【００６８】
また、上部探査装置９、前方探査装置１０、切削抵抗検出装置１１により測定された測定結果を表示装置１３で表示するので、作業員が地山Ｅの状況を容易に把握することができる。
【００６９】
また、判定装置１２による判定結果も表示装置１３で表示するので、地山Ｅの安定度を容易に把握することができる。
【００７０】
また、上部探査装置９を配置する所定の間隔Ｌをセグメント２１の幅の長さと略同一にすることにより、シールド機１がセグメント２１の１つ分の距離だけ掘進すると、上部探査装置９もセグメント２１の１つ分の距離だけ前進することとなる。したがって、シールド機１直上の地山Ｅの同じ箇所を複数回、測定することができる。これにより、同じ箇所を時間をおいて測定することとなるので、シールド機１の掘進に伴う地山Ｅの変状を検知することができる。
【００７１】
また、前方探査装置１０で進行方向前方の地山Ｅの複数箇所を削孔することにより、掘削対象面全体の強度を把握することができる。
【００７２】
また、切削工程の測定結果を次の貫入工程及び削孔工程における測定結果に反映することができるので、これらの測定結果の精度を向上させることができる。
【００７３】
また、本実施形態においては、地山Ｅの安定度を判定装置１２で判定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、人間が判定してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１ シールド機
１ａ 外殻
２ カッターヘッド
３ 駆動源
４ 隔壁
５ チャンバー
６ 排土機構
７ 切羽
８ 探査システム
９ 上部探査装置
９ａ〜９ｃ 各上部探査装置
１０ 前方探査装置
１０ａ〜１０ｇ 各前方探査装置
１１ 切削抵抗検出装置
１１ａ、１１ｂ 各切削抵抗検出装置
１２ 判定装置
１３ 表示装置
１４ シリンダ
１５ スポーク
１５ａ 外殻
１６ 先行ビット
１６ａ、１６ｂ 側面
１７ ティースビット
１７ａ 側面
１８ 歪ゲージ
１９ 電線
２０ ホルダー
２１ セグメント
２１ａ〜２１ｄ 各セグメント
２２ 運転室
２３ 回転軸
２４ ピン
２５ 歪ゲージ
２６ 電線
Ｅ 地山
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド機に設置されて切羽近傍の地山の安定度を探査するための探査システムであって、
前記シールド機内の上部に、前記シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して前記地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、
前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、
前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、
前記上部探査装置、前記前方探査装置及び前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果に基づいて前記地山の安定度を判定するための判定装置と、
を備えることを特徴とする探査システム。
【請求項２】
前記上部探査装置、前記前方探査装置、前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果、及び前記判定装置による判定結果を表示するための表示装置を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の探査システム。
【請求項３】
前記上部探査装置は、前記シールド機の進行方向に所定の間隔で複数、設けられていることを特徴とする請求項１に記載の探査システム。
【請求項４】
前記所定の間隔は、セグメントの幅と略同一であることを特徴とする請求項３に記載の探査システム。
【請求項５】
前記前方探査装置は、前記シールド機本体内の異なる高さ位置に複数、設けられていることを特徴とする請求項１に記載の探査システム。
【請求項６】
地山内を掘進するシールド機であって、
前記シールド機内の上部に、前記シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して前記地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、
前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、
前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、
前記上部探査装置、前記前方探査装置及び前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果に基づいて前記地山の安定度を判定するための判定装置と、
を備えることを特徴とするシールド機。
【請求項７】
前記上部探査装置、前記前方探査装置、前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果、及び前記判定装置による判定結果を表示するための表示装置を更に備えることを特徴とする請求項６に記載のシールド機。
【請求項８】
シールド機内の上部に、当該シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、を備えたシールド機の掘進工法において、
前記シールド機の停止中に、前記上部探査装置を前記シールド機直上の地山へ貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定する貫入工程と、前記前方探査装置で進行方向前方の地山を削孔しながら、その削孔エネルギー及び削孔速度を測定する削孔工程と、を実施し、これら両工程により測定された測定結果に基づいて切羽近傍の前記地山の安定度を判定する第１の判定工程を実施し、
前記シールド機の掘進中に、前記切削抵抗検出装置で前記切羽を切削しながら、前記切羽の切削抵抗を測定する切削工程を実施し、前記貫入工程、前記削孔工程及び前記切削工程により測定された測定結果に基づいて、切羽近傍の前記地山の安定度を判定する第２の判定工程を実施することを特徴とするシールド機の掘進工法。
【請求項１】
シールド機に設置されて切羽近傍の地山の安定度を探査するための探査システムであって、
前記シールド機内の上部に、前記シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して前記地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、
前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、
前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、
前記上部探査装置、前記前方探査装置及び前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果に基づいて前記地山の安定度を判定するための判定装置と、
を備えることを特徴とする探査システム。
【請求項２】
前記上部探査装置、前記前方探査装置、前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果、及び前記判定装置による判定結果を表示するための表示装置を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の探査システム。
【請求項３】
前記上部探査装置は、前記シールド機の進行方向に所定の間隔で複数、設けられていることを特徴とする請求項１に記載の探査システム。
【請求項４】
前記所定の間隔は、セグメントの幅と略同一であることを特徴とする請求項３に記載の探査システム。
【請求項５】
前記前方探査装置は、前記シールド機本体内の異なる高さ位置に複数、設けられていることを特徴とする請求項１に記載の探査システム。
【請求項６】
地山内を掘進するシールド機であって、
前記シールド機内の上部に、前記シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して前記地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、
前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、
前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、
前記上部探査装置、前記前方探査装置及び前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果に基づいて前記地山の安定度を判定するための判定装置と、
を備えることを特徴とするシールド機。
【請求項７】
前記上部探査装置、前記前方探査装置、前記切削抵抗検出装置により測定された測定結果、及び前記判定装置による判定結果を表示するための表示装置を更に備えることを特徴とする請求項６に記載のシールド機。
【請求項８】
シールド機内の上部に、当該シールド機の外殻から出没可能に設置され、当該外殻から外方へ突出して地山に貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定可能な上部探査装置と、前記シールド機内に、前記シールド機のカッターヘッドよりも進行方向前方に出没可能に設置され、当該カッターヘッドよりも前方へ突出して前記地山を削孔しながら、削孔エネルギー及び削孔速度を測定可能な前方探査装置と、前記カッターヘッドに設置され、前記カッターヘッドを回転させて切羽を切削しながら、切削抵抗を測定可能な切削抵抗検出装置と、を備えたシールド機の掘進工法において、
前記シールド機の停止中に、前記上部探査装置を前記シールド機直上の地山へ貫入しながら、その貫入圧力及び貫入量を測定する貫入工程と、前記前方探査装置で進行方向前方の地山を削孔しながら、その削孔エネルギー及び削孔速度を測定する削孔工程と、を実施し、これら両工程により測定された測定結果に基づいて切羽近傍の前記地山の安定度を判定する第１の判定工程を実施し、
前記シールド機の掘進中に、前記切削抵抗検出装置で前記切羽を切削しながら、前記切羽の切削抵抗を測定する切削工程を実施し、前記貫入工程、前記削孔工程及び前記切削工程により測定された測定結果に基づいて、切羽近傍の前記地山の安定度を判定する第２の判定工程を実施することを特徴とするシールド機の掘進工法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１９６０６８（Ｐ２０１１−１９６０６８Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６２９３７（Ｐ２０１０−６２９３７）
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【出願人】（３０９０３６２２１）三菱重工メカトロシステムズ株式会社 (57)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【出願人】（３０９０３６２２１）三菱重工メカトロシステムズ株式会社 (57)
【Ｆターム（参考）】
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