JP2011202356A - Tunnel working face forward probing device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device capable of accurately probing the underground condition in the front side of a tunnel.SOLUTION: The device probing the inside of the ground in front of a tunnel working face includes: a carriage 1; an antenna 2 of an electromagnetic radar mounted on the carriage 1 to move on a circular locus; a turning angle generator recognizing the position on the locus of the antenna 2; a fixed frame 5 mounted to the carriage 1; a flexible body 3 attached to the front face of the fixed fame 5; and an analyzer collecting and analyzing data.

Description

本発明は、トンネル切羽前方探査装置に関するものである。   The present invention relates to a tunnel face forward exploration device.

トンネル掘削では切羽前方の地質状況の把握がきわめて重要である。
前方に破砕帯などが存在することを知らずに発破で切羽を***した場合に、急激な出水が発生し、トンネルが水没したり岩盤が崩壊したりする、という惨事を引き起こす可能性があるからである。
そのためにシールドマシン、あるいはトンネルボーリングマシンを使用する掘削方法では特許文献１に示すような技術が開発されている。
一方、シールドマシンなどを用いず、***によって掘進する場合には、切羽から水抜きボーリングを行う方法、あるいはトンネルの掘削位置に沿って地表から地震探査や比抵抗探査を行う方法が採用されている。 In tunnel excavation, it is very important to understand the geological situation in front of the face.
If the face is blown up by blasting without knowing that there is a crushing zone in front of it, sudden flooding may occur, causing a disaster that the tunnel may be submerged or the rock will collapse. is there.
For this purpose, a technique as shown in Patent Document 1 has been developed in a drilling method using a shield machine or a tunnel boring machine.
On the other hand, when digging by blasting without using a shield machine etc., the method of draining boring from the face or the method of performing seismic exploration or resistivity exploration from the ground surface along the tunnel excavation position is adopted. .

特許３８４１４８３号公報Japanese Patent No. 3841483

前記した従来のトンネル切羽前方探査装置にあっては、次のような問題点がある。
＜１＞切羽から水抜きボーリングを行う方法ではその実施時期の決定方法があいまいなので、補助工法の実施時期を逃してしまう可能性がある。さらに、ボーリングを利用した検層は、ボーリング孔近傍のみを評価できるのみで、三次元的な地質評価ができない。
＜２＞トンネルの掘削位置に沿って地表から地震探査や比抵抗探査を行う方法は、探査データが十分であるとは言い難い。特に、土被りが数百メートルから千メートルを超えるような場合は、実際の地質状況を正確に捉えることが難しい。
＜３＞特許文献１記載の発明はシールドマシンやトンネルボーリングマシンのように切羽に押し付けた巨大なカッターフェースを備えた装置において、そのカッターフェースにアンテナを取り付け、このアンテナからの電磁波の発信、受信を行って前方の地質を探査する装置である。そのためにマシンを使用せずに***によって掘進するトンネルでは、探査の基準面を設定するためのカッターフェースが存在しないからそのまま転用することは出来ない。 The conventional tunnel face front exploration device described above has the following problems.
<1> In the method of draining boring from the face, the method for determining the implementation time is ambiguous, and there is a possibility that the implementation time of the auxiliary method will be missed. Furthermore, logging using borehole can only evaluate the vicinity of the borehole and cannot perform three-dimensional geological evaluation.
<2> The method of conducting seismic exploration and resistivity exploration from the ground surface along the excavation position of the tunnel cannot be said to have sufficient exploration data. In particular, it is difficult to accurately grasp the actual geological situation when the earth cover exceeds several hundred meters to a thousand meters.
<3> The invention described in Patent Document 1 is an apparatus having a huge cutter face pressed against a face like a shield machine or a tunnel boring machine, and an antenna is attached to the cutter face, and electromagnetic waves are transmitted and received from the antenna. This is a device for exploring the geology ahead. For this reason, tunnels that are dug by blasting without using a machine cannot be diverted as they are because there is no cutter face for setting the reference plane for exploration.

上記のような課題を解決するために、本発明のトンネル切羽前方探査装置は、トンネル切羽前方の地盤内を探査する装置であって、台車と、台車に搭載し、円状測線上を移動する電磁レーダーのアンテナと、アンテナの軌跡上の位置を知る回転角発生装置と、電磁レーダーのアンテナと切羽との距離を測定する測距装置と、データを収録、解析する解析装置とより構成したことを特徴としたものである。
また本発明のトンネル切羽前方探査装置は、トンネル切羽前方の地盤内を探査する装置であって、台車と、台車に搭載し、円状測線上を移動する電磁レーダーのアンテナと、アンテナの軌跡上の位置を知る回転角発生装置と、電磁レーダーのアンテナと切羽との距離を測定する測距装置と、アンテナの切羽側に位置した板体であって、アンテナの移動方向の前方をソリ状に形成した摺動体と、摺動体のトンネル軸方向への移動を許容する伸縮バーと、データを収録、解析する解析装置とより構成したことを特徴としたものである。 In order to solve the above-described problems, the tunnel face forward exploration device of the present invention is a device for exploring the ground in front of the tunnel face and is mounted on the carriage and the carriage and moves on a circular survey line. An electromagnetic radar antenna, a rotation angle generator that knows the position of the antenna on the locus, a distance measuring device that measures the distance between the electromagnetic radar antenna and the face, and an analysis device that records and analyzes the data It is characterized by.
Further, the tunnel face forward exploration device of the present invention is an apparatus for exploring the ground in front of the tunnel face, and is equipped with a carriage, an electromagnetic radar antenna mounted on the carriage and moving on a circular survey line, and an antenna trajectory. A rotation angle generator that knows the position of the antenna, a distance measuring device that measures the distance between the antenna and the face of the electromagnetic radar, and a plate body that is located on the face side of the antenna, and the front of the antenna moving direction is warped It is characterized by comprising a formed sliding body, an extendable bar that allows the sliding body to move in the tunnel axis direction, and an analysis device that records and analyzes data.

本発明のトンネル切羽前方探査装置は以上説明したようになるから次のような効果を得ることができる。
＜１＞ 電磁波の発信の基準になるカッターフェースのような基盤が存在しないタイプのトンネルにおいて、その切羽前方の地質を正確に探査することができる。
＜２＞ 特に凹凸の多い切羽面であって、探査の基準面を設定しにくい場合でも、正確に切羽前方の地質を探査することができる。
＜３＞ 切羽に接近できるトンネル掘進工法の場合に本発明の装置を使用すれば、切羽を数分占拠するだけで、切羽前方の５〜２０ｍ程度の地盤状況の調査をすることができる。
＜４＞ ***後のズリを撤去したばかりの凹凸の多い切羽の表面をなぞるように装置を移動して探査することができるから、正確な探査を行うことができる。
＜５＞ リモートと自動で台車を移動でき、全部の作業が自動で行うように制御すること、すなわち、ロボット化を行うことできる。
＜６＞ 自動化することによって、危険な切羽に作業員が接近する作業を避け、作業事故を防ぐことができる。 Since the tunnel face forward exploration device of the present invention is as described above, the following effects can be obtained.
<1> In a tunnel of a type that does not have a base such as a cutter face that serves as a reference for electromagnetic wave transmission, the geology in front of the face can be accurately surveyed.
<2> Even if the face has a lot of unevenness and it is difficult to set a reference plane for exploration, the geology ahead of the face can be accurately explored.
<3> If the apparatus of the present invention is used in the tunnel excavation method that can approach the face, it is possible to investigate the ground condition of about 5 to 20 m in front of the face only by occupying the face for a few minutes.
<4> Since the device can be moved and searched so as to trace the surface of the face with many irregularities that has just been removed, the accurate search can be performed.
<5> The carriage can be moved remotely and automatically, and control can be performed so that all operations are automatically performed, that is, robotization can be performed.
<6> By automating, it is possible to avoid an operation in which an operator approaches a dangerous face and to prevent a work accident.

本発明のトンネル切羽前方探査装置の実施例の説明図。Explanatory drawing of the Example of the tunnel face front exploration apparatus of this invention. 固定枠と可撓体の実施例の説明図。Explanatory drawing of the Example of a fixed frame and a flexible body. 切羽に押し付けている状態の説明図。Explanatory drawing of the state pressed against the face. 信号ケーブル配線の説明図。Explanatory drawing of signal cable wiring. 他の実施例の説明図。Explanatory drawing of another Example.

以下図面を参照にしながら本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

＜１＞装置の全体。
本発明のトンネル切羽前方探査装置は、トンネル切羽前方の地盤内の状態を探査する装置である。
そしてこの装置は、台車１と、円の軌跡上に移動する電磁レーダーのアンテナ２と、ケーブルの捩れを解決するスリップリング１２と、アンテナ２の回転角発生装置４４と、測距装置と、可撓体３を主要要素として構成する。
特に本発明の装置は、可撓体３を切羽に押し付けることによって、トンネルの軸方向を横断する仮想面上をアンテナが安定して走行できることを特徴とする。 <1> Entire apparatus.
The tunnel face front exploration device of the present invention is a device for exploring the state in the ground in front of the tunnel face.
This device includes a carriage 1, an electromagnetic radar antenna 2 that moves on a circular path, a slip ring 12 that solves the twisting of the cable, a rotation angle generator 44 of the antenna 2, a distance measuring device, The flexible body 3 is configured as a main element.
In particular, the apparatus of the present invention is characterized in that the antenna can stably travel on a virtual plane that crosses the axial direction of the tunnel by pressing the flexible body 3 against the face.

＜２＞台車。
台車１はトンネルの切羽まで走行、逆送が可能な車輪付きの台であり、リモート操縦も可能であるように構成する。
台車１にビデオカメラなどを装着してモニターを見ながら操縦しても良い。
台車には複数本の支柱１１を鉛直に設置してある。 <2> Bogie.
The trolley 1 is a pedestal with wheels that can travel to the face of the tunnel and can be reversely fed, and is configured to be capable of remote control.
The dolly 1 may be operated while attaching a video camera or the like while looking at the monitor.
A plurality of support columns 11 are installed vertically on the carriage.

＜３＞回転腕。
４１台車１には、鉛直に立てた支柱１１で支持させて、水平方向に向けた回転軸４を設置する。
この回転軸４の中間には、直交方向に向けて回転腕２１を固定する。
さらに回転軸４には、その尾端に駆動源４１を取り付ける。
この駆動源４１の回転によって回転軸４、および回転軸４に固定した回転腕２１に回転を与えることができる。
回転腕２１の軌跡面は、トンネルの軸線を横断する仮想の横断面を形成することになる。
支柱１１の高さを調整可能にしておくと、回転軸４の水平性を容易に確保できる。 <3> A rotating arm.
The 41 bogie 1 is provided with a rotating shaft 4 that is supported by a vertical column 11 and oriented in the horizontal direction.
A rotating arm 21 is fixed in the middle of the rotating shaft 4 in the orthogonal direction.
Further, a drive source 41 is attached to the rotating shaft 4 at its tail end.
The rotation of the drive source 41 can provide rotation to the rotating shaft 4 and the rotating arm 21 fixed to the rotating shaft 4.
The trajectory plane of the rotating arm 21 forms a virtual cross section that crosses the axis of the tunnel.
If the height of the column 11 is adjustable, the horizontality of the rotating shaft 4 can be easily secured.

＜４＞アンテナ。
本発明のトンネル切羽前方地質探査システムは、トンネルを掘削した切羽面の前方の地中にレーダー信号（発信波）を発信し、地盤内から反射して戻ってきた受信波を受信し、波形処理を行うものである。
そのために回転腕２１の先端付近には電磁レーダーのアンテナ２を取り付ける。
その結果、アンテナ２は円形に設計した測線上を移動することができる。
アンテナ２として例えば、中心周波数３５０〜４００ＭＨｚ程度のアンテナ２を使用する。
アンテナ２は、発信と受信を兼用する兼用アンテナ２（一体型）でも、あるいは発信用アンテナ２と受信用アンテナ２を別にしたもの（別体型）でもよい。但し、別体型の場合には、両アンテナは近接する必要がある。
電磁レーダーの発信機本体は台車１の上に搭載し、その本体と回転腕２１先端のアンテナ２を電気的に接続する。
そのために回転軸４と支柱１１との間にはスリップリング１２を介在させて回転部分への電気信号の伝達を可能とする。
さらに回転軸４には回転角発生装置を設けて、アンテナ２の円軌跡上の位置を把握する。 <4> Antenna.
The geological exploration system in front of the tunnel face according to the present invention transmits a radar signal (transmitted wave) to the ground in front of the face face excavating the tunnel, receives the received wave returned from the ground, and performs waveform processing. Is to do.
For this purpose, an electromagnetic radar antenna 2 is attached near the tip of the rotating arm 21.
As a result, the antenna 2 can move on the survey line designed to be circular.
For example, the antenna 2 having a center frequency of about 350 to 400 MHz is used as the antenna 2.
The antenna 2 may be a dual-purpose antenna 2 (integrated type) for both transmission and reception, or may be a separate type (separate type) for the transmission antenna 2 and the reception antenna 2. However, in the case of a separate type, both antennas need to be close to each other.
The transmitter body of the electromagnetic radar is mounted on the carriage 1, and the body and the antenna 2 at the tip of the rotating arm 21 are electrically connected.
Therefore, an electric signal can be transmitted to the rotating part by interposing a slip ring 12 between the rotating shaft 4 and the column 11.
Further, the rotation shaft 4 is provided with a rotation angle generator to grasp the position of the antenna 2 on the circular locus.

＜５＞発信と受信。
アンテナが一体型の場合は、アンテナ２から、同期信号により一定時間間隔で電磁波パルスのレーダー信号を発信すると、この信号が切羽前方の地層に存在する地層の境界面などの、種々の箇所で反射し、この反射した反射波をアンテナ２で受信する。
アンテナが別体型の場合は、送信アンテナから送信、受信アンテナ受信となる。
同期信号を変更して、発信間隔を調整することにより、回転腕２１が１回転する間に多数回の発信ができ、それに伴って多数の受信波を受信し、受信波形を記録することが出来る。 <5> Sending and receiving.
When the antenna is integrated, when an electromagnetic pulse radar signal is transmitted from the antenna 2 at regular time intervals using a synchronization signal, this signal is reflected at various points such as the boundary surface of the formation in front of the face. Then, this reflected reflected wave is received by the antenna 2.
When the antenna is a separate type, transmission from the transmission antenna and reception from the reception antenna are performed.
By changing the synchronization signal and adjusting the transmission interval, a large number of transmissions can be made during one rotation of the rotating arm 21, and a large number of reception waves can be received and a reception waveform can be recorded. .

＜６＞固定枠。
回転軸４の先端には、回転軸４と直交する状態で固定枠５を取り付ける。
この固定枠５は、たとえば車輪状の枠体を２基、平行に配置し、両者間を連結材５１で連結した枠体である。
この固定枠５をスリップリング１２の外側やあるいは台車１に固定して設置する。
固定枠５と回転軸４とはベアリングなどを介して取り付ける。
そのために固定枠５は、回転軸４とは独立しており、回転しない。 <6> A fixed frame.
A fixed frame 5 is attached to the tip of the rotating shaft 4 so as to be orthogonal to the rotating shaft 4.
The fixed frame 5 is a frame body in which, for example, two wheel-shaped frame bodies are arranged in parallel, and both are connected by a connecting member 51.
The fixed frame 5 is installed outside the slip ring 12 or on the carriage 1.
The fixed frame 5 and the rotating shaft 4 are attached via a bearing or the like.
Therefore, the fixed frame 5 is independent of the rotating shaft 4 and does not rotate.

＜７＞可撓体。
この固定枠５の切羽側の面に可撓体３を取り付ける。
ここで「可撓」とは撓み性の大きい、という程度の意味である。
この可撓体３は、切羽岩盤と同程度の比誘電率（4〜8程度）を持つ材料か、あるいは比誘電率の低いゴムなどの可撓性の高い材料で浮輪状に形成いた袋体である。
この袋体の内部に、切羽岩盤と同程度の比誘電率を持つ流体か、水ガラスやシリコンオイルなど、比誘電率が低く、かつ粘性が高く、形状を自由に変形できる流体を封入して可撓体３を構成する。
固定枠５を切羽に近づけることによって、可撓体３を凹凸が分散している切羽に押し付けると、アンテナ２と切羽の隙間を、可撓体３によって充填する状態となる。
この固定枠５の押し付けによって、回転軸４および回転腕２１の回転、すなわちアンテナ２の回転は、地山と可撓体や可撓体とアンテナの境界に空洞のない、電気的に安定した状態を確保することができるので、電磁レーダーの計測精度を向上させることができる。 <7> Flexible body.
The flexible body 3 is attached to the face side of the fixed frame 5.
Here, “flexible” means that the flexibility is large.
The flexible body 3 is a bag formed of a material having a relative dielectric constant (about 4 to 8) similar to that of the face rock or a highly flexible material such as rubber having a low relative dielectric constant. It is.
Inside this bag, either a fluid with a relative dielectric constant similar to that of face rocks or a fluid with low relative dielectric constant, high viscosity, and shape that can be freely deformed, such as water glass or silicon oil The flexible body 3 is configured.
When the flexible frame 3 is pressed against the face having unevenness by bringing the fixed frame 5 close to the face, the gap between the antenna 2 and the face is filled with the flexible body 3.
By the pressing of the fixed frame 5, the rotation of the rotating shaft 4 and the rotating arm 21, that is, the rotation of the antenna 2 is an electrically stable state in which there is no cavity at the boundary between the ground and the flexible body or between the flexible body and the antenna. Therefore, the measurement accuracy of the electromagnetic radar can be improved.

＜８＞解析装置。
データを収録、解析する解析装置を設ける。
本発明のトンネル切羽前方地質探査システムは、アンテナ２に発信システムから発信信号を与え、レーダー信号を発信する。
そしてアンテナ２で受けた受信波を受信システムで受信信号とし、電磁レーダー本体を介してコンピュータに入力する。
これらの信号を解析するコンピュータでは受信波形などの必要なデータを信号処理し、解釈し、保存し、また表示装置や印刷装置などの出力装置に出力する。
なお、本装置によって切羽前方の地中の状況を探査する手段、システムなどは特許文献１などによって公知であるので、重複した説明は省略する。 <8> Analysis device.
Establish an analysis device to record and analyze data.
In the geological exploration system in front of the tunnel face according to the present invention, a transmission signal is given to the antenna 2 from the transmission system to transmit a radar signal.
Then, the reception wave received by the antenna 2 is converted into a reception signal by the reception system and input to the computer via the electromagnetic radar main body.
A computer that analyzes these signals processes, interprets, stores necessary data such as a received waveform, and outputs it to an output device such as a display device or a printing device.
In addition, since the means, system, etc. which search the underground condition in front of a face by this apparatus are well-known by patent document 1 etc., the overlapping description is abbreviate | omitted.

＜９＞切羽凹凸の吸収。
アンテナ２の描く仮想平面は、トンネルの中心軸を横断する平面となる。
そして、固定枠５を切羽に近づけることによって可撓体３を、凹凸が分散している切羽に押し付けて密着させる。
この固定枠５の押し付けによって、回転軸４および回転腕２１の回動は安定した状態となり、アンテナ２の移動軌跡は正確な仮想平面を形成することができ、電磁レーダーの計測精度を向上させることができる。 <9> Absorption of face irregularities.
A virtual plane drawn by the antenna 2 is a plane that crosses the central axis of the tunnel.
Then, by bringing the fixed frame 5 close to the face, the flexible body 3 is pressed and brought into close contact with the face where the unevenness is dispersed.
By pressing the fixed frame 5, the rotation of the rotating shaft 4 and the rotating arm 21 becomes stable, and the moving locus of the antenna 2 can form an accurate virtual plane, thereby improving the measurement accuracy of the electromagnetic radar. Can do.

＜１０＞ロボットタイプ。
図５に示すように、多関節のロボット６を台車１の上に搭載する構成を採用することもできる。
このロボット６は先端に回転軸４を備え、その回転軸４に直交して回転腕２１を取り付ける。
この回転腕２１の先端に電磁レーダーのアンテナ２を搭載する。
ロボット６の回転する回転腕２１には、回転した際にケーブルの捩れを生じさせないためのスリップリング１２と、回転角を計測するエンコーダ１３を装着している。
スリップリング１２はレーダーアンテナ２でとらえた反射波受信信号と、電磁波の発信タイミングである同期信号、およびアンテナ２への給電ケーブルに対応して機能するようになっている。
回転角を計測するエンコーダ１３をスリップリング１２に内蔵することもできる
回転しない固定枠５と、その前面の可撓体３をロボット６に支持させて切羽に押し付ける構成は前記の実施例と同様である。 <10> Robot type.
As shown in FIG. 5, a configuration in which an articulated robot 6 is mounted on a carriage 1 can be adopted.
This robot 6 has a rotating shaft 4 at the tip, and a rotating arm 21 is attached perpendicular to the rotating shaft 4.
An electromagnetic radar antenna 2 is mounted on the tip of the rotating arm 21.
The rotating arm 21 that rotates the robot 6 is equipped with a slip ring 12 that prevents twisting of the cable when rotated, and an encoder 13 that measures the rotation angle.
The slip ring 12 functions so as to correspond to a reflected wave reception signal captured by the radar antenna 2, a synchronization signal that is an electromagnetic wave transmission timing, and a power supply cable to the antenna 2.
An encoder 13 for measuring the rotation angle can be incorporated in the slip ring 12. The structure in which the non-rotating fixed frame 5 and the flexible body 3 on the front surface thereof are supported by the robot 6 and pressed against the face are the same as in the previous embodiment. is there.

１：台車
２：アンテナ
２１：回転腕
３：可撓体
４：回転軸
５：固定枠
６：多関節ロボット 1: Cart 2: Antenna 21: Rotating arm 3: Flexible body 4: Rotating shaft 5: Fixed frame 6: Articulated robot

Claims (2)

トンネル切羽前方の地盤内を探査する装置であって、
台車と、
台車に搭載し、円形に設計された測線上を移動する電磁レーダーのアンテナと、
アンテナの軌跡上の位置を知る回転角発生装置と、
台車の前面に設置した固定枠と、
固定枠の前面に取り付けた可撓体と、
データを収録、解析する解析装置とより構成したことを特徴とした、
トンネル切羽前方探査装置。 A device for exploring the ground in front of the tunnel face,
Cart,
An electromagnetic radar antenna mounted on a dolly and moving on a circular survey line,
A rotation angle generator that knows the position of the antenna on the locus;
A fixed frame installed on the front of the carriage,
A flexible body attached to the front surface of the fixed frame;
It is characterized by comprising an analysis device that records and analyzes data,
Tunnel face front exploration device. 前記の可撓体は、
その内部に、岩盤と同程度あるいはそれよりも比誘電率が低くく、かつ粘性が高く、形状が自由に変形する材料を封入した袋体によって構成した、
請求項１記載のトンネル切羽前方探査装置。 The flexible body is
The inside is composed of a bag body that encloses a material whose dielectric constant is as low as or lower than that of the rock, and whose viscosity is high and whose shape is freely deformed.
The tunnel face forward exploration device according to claim 1.
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