JP5271946B2 - トンネル切羽前方探査装置 - Google Patents

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。

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。

特許３８４１４８３号公報

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。

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。

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。

本発明のトンネル切羽前方探査装置の実施例の説明図。 固定枠と可撓体の実施例の説明図。 切羽に押し付けている状態の説明図。 信号ケーブル配線の説明図。 他の実施例の説明図。

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。

＜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。

＜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。

＜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。

＜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。

＜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。

＜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。

＜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。

＜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。

＜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。

＜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。

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

Claims (2)

1. 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。
2. 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。

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