特開 2024-52194 切羽評価装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024052194

(43)【公開日】2024-04-11

(54)【発明の名称】切羽評価装置

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/00 20060101AFI20240404BHJP

   G01V 1/00 20240101ALI20240404BHJP

   G01H 17/00 20060101ALI20240404BHJP

【ＦＩ】

E21D9/00 Z

G01V1/00 B

G01H17/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022158747

(22)【出願日】2022-09-30

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ウェブサイトの掲載日 令和０３年１０月３日 ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｅｇ．ｏｒ．ｊｐ／００－ｍａｉｎ／Ｒ３＿ａｎｎｕａｌ＿ｍｅｅｔｉｎｇ／Ｒ３＿ａｎｎｕａｌ＿ｍｅｅｔｉｎｇ＿ｆｏｒｐａｒｔｉｃｉｐａｎｔｓｏｎｌｙ．ｈｔｍｌ 〔刊行物等〕 開催日 令和０３年１０月１４日 集会名、開催場所 一般社団法人 日本応用地質学会 令和３年度研究発表会 オンライン開催

(71)【出願人】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100122781

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 寛

(74)【代理人】

【識別番号】100182006

【弁理士】

【氏名又は名称】湯本 譲司

(72)【発明者】

【氏名】栗原 啓丞

(72)【発明者】

【氏名】山下 慧

(72)【発明者】

【氏名】宮嶋 保幸

【テーマコード（参考）】

2G064

2G105

【Ｆターム（参考）】

2G064AB01

2G064AB02

2G064AB13

2G064BA02

2G064BD02

2G064CC41

2G064CC42

2G064DD02

2G105AA02

2G105BB01

2G105BB02

2G105DD02

2G105EE01

2G105LL02

2G105LL03

2G105LL04

2G105LL05

2G105LL06

(57)【要約】

【課題】ブレーカを用いて容易に且つ高精度に切羽の状態を評価することができる切羽評価装置を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る切羽評価装置は、基体１１及びブレーカ１５を備えるバックホウ１０を用いてトンネルの切羽Ｋを評価する切羽評価装置１であって、切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃時の評価指標を収集するセンサ２と、評価指標を用いて切羽の強度を算出する強度算出部と、を備え、評価指標は加速度であって、センサ２の振動加速度収集部は加速度計である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基体及びブレーカを備える重機を用いてトンネルの切羽を評価する切羽評価装置であって、
前記切羽への前記ブレーカの打撃時の評価指標を収集する評価指標収集部と、
前記評価指標を用いて前記切羽の強度を算出する強度算出部と、
を備え、
前記評価指標は加速度であって、前記評価指標収集部は加速度計である、
切羽評価装置。

【請求項2】

前記ブレーカの打撃角度を検出するブレーカ打撃角度検出部を備え、
前記強度算出部は、前記加速度、及び前記ブレーカの打撃角度を用いて前記切羽の強度を算出する、
請求項１に記載の切羽評価装置。

【請求項3】

基体及びブレーカを備える重機を用いてトンネルの切羽を評価する切羽評価装置であって、
前記切羽への前記ブレーカの打撃時の評価指標を収集する評価指標収集部と、
前記ブレーカの打撃角度を検出するブレーカ打撃角度検出部と、
前記打撃時の評価指標、及び前記ブレーカの打撃角度を用いて前記切羽の強度を算出する強度算出部と、
を備え、
前記評価指標は音であって、前記評価指標収集部はマイクである、
切羽評価装置。

【請求項4】

前記ブレーカ打撃角度検出部は、前記基体に対する前記ブレーカの延在方向を前記打撃角度として検出する機構を含む、
請求項２又は３に記載の切羽評価装置。

【請求項5】

更に、前記切羽の切羽面の角度を検出する切羽面角度検出部を備え、
前記ブレーカ打撃角度検出部と前記切羽面角度検出部により、前記切羽面の直交方向に対する前記ブレーカの延在方向の角度を前記打撃角度として検出する、
請求項４に記載の切羽評価装置。

【請求項6】

前記切羽の切羽面の直交方向に対して、上向きを正の角度方向、下向きを負の角度方向とし、θ１を負の実数、θ２を正の実数とした場合において、
前記強度算出部は、前記直交方向に対する前記ブレーカの打撃角度であるθがθ１≦θ≦θ２を満たすときにおける前記評価指標から、前記切羽の強度を算出する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の切羽評価装置。

【請求項7】

前記切羽の切羽面の直交方向に対して、上向きを正の角度方向、下向きを負の角度方向とした場合において、
前記強度算出部は、前記評価指標から評価値を算出して、前記評価値に補正係数Ａ（但しＡは正の実数）を掛けて前記評価値を補正し、
前記補正係数Ａは、前記直交方向に対する前記ブレーカの打撃角度θの絶対値が大きいほど小さい値である、
請求項１～３のいずれか一項に記載の切羽評価装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、切羽を評価する切羽評価装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、トンネルの切羽に相当する掘削面の地質の評価方法が記載されている。この評価方法では、トンネル坑内の切羽から後方に所定の距離離れた所定の位置にジオフォン及びマイクロフォンを設置する。掘削面がブレーカ又はハンマを含む各種機器で打撃されることによって弾性波及び音波を発生させる。ジオフォンは、振動で発生させた際に地山を伝播する弾性波を計測する。マイクロフォンは、空中を伝播する音波を受振計測する。

【0003】

ジオフォンが計測した弾性波、及びマイクロフォンが計測した音波は、振動発生前に記録動作を開始したパソコンに記録される。パソコンでは、弾性波データ及び音波データから弾性波のパワースペクトル周波数、及び音波のパワースペクトル周波数が算出される。そして、これらの周波数特性に基づいて掘削面の地質状況が推定されて評価される。

【0004】

特許文献２には、掘削面地質評価方法が記載されている。この方法では、トンネル坑内の切羽から後方に所定距離離れた所定の位置にマイクロフォンを設置する。マイクロフォンには、通信ケーブルを介してパソコンが接続される。切羽には一定の破砕力を加えて破砕音を発生させ、空中を伝播する破砕音がマイクロフォンによって集音される。

【0005】

上記の破砕音は、破砕音の発生前から記録動作を開始したパソコンに記録される。パソコンには、複数種類の切羽の破砕音の音波データが記録される。パソコンでは、音波データから音波の周波数特性を算出し、切羽毎の音波の周波数特性に基づいて各切羽の地質状況を推定して評価する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２０－１９７３８９号公報

【特許文献2】特開２０２１－９６１４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

例えば、地盤の施工において、合理的に支保パターンを選定するためには、掘削地山の力学特性（変形特性又は地山強度等）を容易に且つ高精度に評価することが求められうる。硬岩地山を対象とした施工では、ドリルジャンボによる装薬削孔時のマシンデータから地山の力学特性値が評価されることがある。一方、ドリルジャンボによる削孔作業がなかったり、ドリルジャンボによるマシンデータから力学特性を評価する装置がなかったり、また、軟岩又は土砂を対象とした機械掘削を行う施工では、力学物性評価のための手法が不足しているという現状がある。そこで、簡便に地山掘削用のブレーカを用いて容易に且つ高精度に切羽の状態を評価できることが求められる。

【0008】

本開示は、ブレーカを用いて容易に且つ高精度に切羽の状態を評価することができる切羽評価装置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】

本開示の一側面に係る切羽評価装置は、基体及びブレーカを備える重機を用いてトンネルの切羽を評価する切羽評価装置であって、切羽へのブレーカの打撃時の評価指標を収集する評価指標収集部と、評価指標を用いて切羽の強度を算出する強度算出部と、を備え、評価指標は加速度であって、評価指標収集部は加速度計である。

【0010】

この切羽評価装置では、基体及びブレーカを備える重機によってトンネルの切羽が評価される。切羽評価装置は評価指標収集部と強度算出部とを備え、加速度計である評価指標収集部が切羽へのブレーカの打撃時における加速度を収集する。強度算出部は、加速度計によって収集された加速度から切羽の強度を算出する。切羽に対するブレーカの打撃時に生じる加速度からは、切羽の硬さ等の強度を高精度に得られる。従って、強度算出部が加速度から強度を算出することによって、切羽の強度を高精度に評価することができる。また、この切羽評価装置では、切羽へのブレーカの打撃時における加速度を収集して切羽の強度を評価できる。従って、ブレーカを用いて容易に且つ高精度にトンネルの切羽の状態を評価することができる。

【0011】

切羽評価装置は、切羽へのブレーカの打撃角度を検出するブレーカ打撃角度検出部を備えてもよく、強度算出部は、加速度、及びブレーカの打撃角度を用いて切羽の強度を算出してもよい。切羽に対する打撃力は、切羽へのブレーカの打撃角度に依存する。例えば、切羽面の直交方向に対してブレーカが上向きとなる場合よりも、切羽面の直交方向に対してブレーカが下向きとなる場合の方が、切羽面に対して好適に打撃力を付与できる。従って、ブレーカ打撃角度検出部がブレーカの打撃角度を検出し、強度算出部がブレーカの打撃角度を用いて切羽の強度を算出することにより、切羽の強度等の状態をより高精度に評価することができる。

【0012】

本開示の別の側面に係る切羽評価装置は、基体及びブレーカを備える重機を用いてトンネルの切羽を評価する切羽評価装置であって、切羽へのブレーカの打撃時の評価指標を収集する評価指標収集部と、切羽へのブレーカの打撃角度を検出するブレーカ打撃角度検出部と、打撃時の評価指標、及びブレーカの打撃角度を用いて切羽の強度を算出する強度算出部と、を備え、評価指標は音であって、評価指標収集部はマイクである。

【0013】

この切羽評価装置では、マイクである評価指標収集部が切羽へのブレーカの打撃時における音を収集し、ブレーカ打撃角度検出部が切羽へのブレーカの打撃角度を検出する。強度算出部は、マイクによって収集された打撃時の音、及びブレーカの打撃角度から切羽の強度を算出する。強度算出部は上記のブレーカの打撃角度を加味して打撃時の音から切羽の強度を算出するので、切羽の強度を高精度に算出できる。更に、この切羽評価装置では、切羽へのブレーカの打撃時における音を収集して切羽の強度を評価できる。よって、ブレーカを用いて容易に且つ高精度にトンネルの切羽の状態を評価することができる。

【0014】

ブレーカ打撃角度検出部は、基体に対するブレーカの延在方向を打撃角度として検出する機構を含んでもよい。この場合、重機の基体に対するブレーカの延在方向が打撃角度として検出されるので、検出された打撃角度からより高精度に切羽の状態を評価することができる。

【0015】

この切羽評価装置は、更に、切羽の切羽面の角度を検出する切羽面角度検出部を備えてもよく、ブレーカ打撃角度検出部と切羽面角度検出部により、切羽面の直交方向に対するブレーカの延在方向の角度を打撃角度として検出してもよい。この場合、切羽の切羽面に対するブレーカの向きから打撃角度が検出される。従って、高精度に検出された打撃角度に基づいてより高精度に切羽の状態を評価することができる。

【0016】

切羽の切羽面の直交方向に対して、上向きを正の角度方向、下向きを負の角度方向とし、θ１を負の実数、θ２を正の実数とした場合において、強度算出部は、直交方向に対するブレーカの打撃角度であるθがθ１≦θ≦θ２を満たすときにおける評価指標から、切羽の強度を算出してもよい。この場合、切羽面の直交方向に対するブレーカの打撃角度が一定角度範囲内のときの評価指標から切羽の強度が算出される。従って、当該打撃角度が一定角度範囲外の評価値を排除できるので、切羽の強度をより高精度に算出することができる。

【0017】

切羽の切羽面の直交方向に対して、上向きを正の角度方向、下向きを負の角度方向とした場合において、強度算出部は、評価指標から評価値を算出して、評価値に補正係数Ａ（但しＡは正の実数）を掛けて評価値を補正してもよい。補正係数Ａは、直交方向に対するブレーカの打撃角度θの絶対値が大きいほど小さい値であってもよい。この場合、切羽面の直交方向に対するブレーカの打撃角度θの絶対値が小さいほど大きな補正係数Ａを評価値に掛ける。従って、当該直交方向に対する打撃角度θの絶対値が大きく精度が低い評価値に小さい補正係数Ａを掛け、当該直交方向に対する打撃角度θの絶対値が小さく精度が高い評価値に大きい補正係数Ａを掛けることにより、評価値の精度を一層高めることができる。その結果、切羽の強度等の状態を一層高精度に評価することができる。

【発明の効果】

【0018】

本開示によれば、ブレーカを用いて容易に且つ高精度に切羽の状態を評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施形態に係る切羽評価装置が適用される地山を模式的に示す断面図である。

【図2】実施形態に係る切羽評価装置が適用される重機を示す側面図である。

【図3】実施形態に係る切羽評価装置の機能を示すブロック図である。

【図4】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、切羽面に対するブレーカの打撃角度を説明するための地山の模式的な断面図である。

【図5】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、振動加速度レベルと周波数帯域の関係の例を示すグラフである。

【図6】切羽の評価において切羽の位置を区分する方法の例を示す図である。

【図7】加速度レベルと強度との関係の例を模式的に示すグラフである。

【図8】実施例に係る切羽評価装置から得られた振動加速度レベルのデータを示すグラフである。

【図9】実施例に係る切羽評価装置から得られた音圧レベルのデータを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下では、図面を参照しながら本開示に係る切羽評価装置の実施形態について説明する。図面の説明について同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、図面は、理解の容易化のため、一部を簡略化又は誇張している場合があり、寸法比率等は図面に記載のものに限定されない。

【0021】

図１は、本実施形態に係る切羽評価装置１が適用される地山Ｇを模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る切羽評価装置１が設けられる重機の例であるバックホウ１０を示す側面図である。地山Ｇは、例えば、層Ｇ１、層Ｇ２、層Ｇ３及び層Ｇ４を有し、層Ｇ１、層Ｇ２、層Ｇ３及び層Ｇ４はこの順で地山Ｇの表面からトンネルの深さ方向に並んでいる。

【0022】

層Ｇ１、層Ｇ２、層Ｇ３及び層Ｇ４の強度は、例えば、既往の文献データによって知られており、地山Ｇの表面から最も遠い層Ｇ４の強度が最も高く、地山Ｇの表面に最も近い層Ｇ１の強度が最も低い場合が多い。しかしながら、実際に地山Ｇを掘削するときには、層Ｇ１、層Ｇ２、層Ｇ３及び層Ｇ４の強度が不明である場合がある。従って、地山Ｇの掘削と共に地山Ｇの強度を評価することは重要である。本実施形態において、「地山の強度」は、地山、又は地山のサンプルを材料とした、その材料が持つ、変形や破壊に対する抵抗力を意味し、例えば、地山強度比であり、一軸圧縮強度試験、三軸圧縮強度試験又はポイントロードテスター等で評価される値である場合もある。本実施形態において、トンネルの切羽とは、トンネル工事における掘削の最先端部であり、地山が露出、又は、薄厚のコンクリートに被覆されている。切羽の面（切羽面）は、概ね垂直（鉛直）、又は所定の角度で整形されている。

【0023】

例えば、バックホウ１０は、走行体（一例としてクローラ）及びキャビン１１ｂを有する基体１１と、基体１１から延び出すブーム１２と、ブーム１２の水平方向に延びる軸を中心としてブーム１２に回転可能に取り付けられたアーム１３とを有する。バックホウ１０は、更に、アーム１３の先端（ブーム１２とは反対側の端部）に取り付けられたブレーカ１５を有する。ブレーカ１５は、アーム１３の先端に枢支されるブラケット１７と、ブラケット１７の内部において往復移動可能に装着され、地山Ｇのトンネルの切羽Ｋを削岩するノミ１６（ロッド）を有する。

【0024】

図３は、切羽評価装置１の機能を示すブロック図である。図２及び図３に示されるように、切羽評価装置１は、ブレーカ１５に取り付けられたセンサ２と、センサ２から延び出すケーブル３と、ケーブル３のセンサ２とは反対側の端部に設けられた情報端末４とを有する。

【0025】

センサ２は、例えば、ブレーカ１５のブラケット１７におけるノミ１６寄りの位置に配置されている。この場合、センサ２によって一層高精度なデータを取得できる。センサ２は種々のセンサを含んでいる。センサ２は、例えば、切羽Ｋへのブレーカ１５（ノミ１６）の打撃時の加速度（加速度波形を含む）を収集する振動加速度収集部２ｂと、切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃時の音（音波形を含む）を収集する打撃音収集部２ｃと、切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃角度を検出する角度検出センサであるブレーカ打撃角度検出部２ｄとを有する。

【0026】

振動加速度収集部２ｂ及び打撃音収集部２ｃのそれぞれは、切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃時の評価指標（切羽Ｋの強度の評価指標）を収集する評価指標収集部である。振動加速度収集部２ｂが収集する評価指標は加速度（加速度波形を含む）であり、加速度から評価値である振動加速度レベルが導かれる（算出される）。打撃音収集部２ｃが収集する評価指標は音（音波形を含む）であり、音から評価値である音圧レベルが導かれる（算出される）。例えば、振動加速度収集部２ｂは加速度計であり、打撃音収集部２ｃはマイクである。これらのセンサ２は、例えば、ブラケット１７に取り付けられるが、基体１１、ブーム１２、又はアーム１３に取り付けられてもよい。

【0027】

ケーブル３は、一例として、有線ケーブルである。ケーブル３は、例えば、ブレーカ１５、アーム１３、及びブーム１２に支持されており、ブレーカ１５からアーム１３及びブーム１２に沿ってキャビン１１ｂの内部に配置された情報端末４まで延在している。情報端末４は、例えば、携帯端末であり、一例として、タブレット端末である。

【0028】

情報端末４には、例えば、データ収録ソフトウェアがインストールされており、バックホウ１０の操作者が情報端末４を操作することによって地山Ｇの打撃データを収録できる。地山Ｇの打撃データは、振動加速度収集部２ｂに収集された加速度から導かれる（算出される）振動加速度レベル、及び打撃音収集部２ｃに収集された音から導かれる（算出される）音圧レベル、の少なくともいずれかである。例えば、情報端末４が操作されることによって地山Ｇの打撃データに対して波形分析が行われ、地山Ｇの強度が算出される。

【0029】

ブレーカ打撃角度検出部２ｄは、基体１１に対するブレーカ１５（ノミ１６）の延在方向を打撃角度として算出する。図３、図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示されるように、更に、水平面に対する切羽Ｋの切羽面Ｋ１の角度を検出する切羽面角度検出部２ｆを有し、ブレーカ打撃角度検出部２ｄと切羽面角度検出部２ｆにより、切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５（ノミ１６）の延在方向の角度として、より正確に打撃角度θを検出する。切羽面Ｋ１は、一般的に垂直・鉛直に形成される。よって、ブレーカ打撃角度検出部２ｄは、ブレーカ１５（ノミ１６）の切羽面Ｋ１に対する角度の検出に際し、切羽面Ｋ１が鉛直に延びるものとみなして、水平に対するブレーカ１５（ノミ１６）の角度の検出により、打撃角度θを検出してもよい。ブレーカ打撃角度検出部２ｄは、例えば、ブラケット１７に取り付けられる傾斜計である。しかし、この場合、傾斜計の測定値の変動が大きくなりブレーカ１５の角度の測定が不安定になる場合がある。ブレーカ打撃角度検出部２ｄは、基体１１に設けられた傾斜計、基体１１とブーム１２の間の角度を測定可能な角度計、ブーム１２とアーム１３との間の角度を測定可能な角度計、又は、アーム１３とブラケット１７との間の角度を測定可能な角度計、すなわち、ブレーカ打撃角度検出部２ｄは、基体１１に対するブレーカ１５の延在方向を打撃角度θとして検出する機構を含むものであってもよい。この場合、傾斜計の測定値の変動が少ないので、より正確な角度の検出が可能となる。また、基体１１は、水平面（又は切羽に対して直角の面）に配置されることが多いので、基体１１に対するブレーカ１５の延在方向を打撃角度θとして検出する機構のみ（すなわち、基体１１とブーム１２の間の角度を測定可能な角度計、ブーム１２とアーム１３との間の角度を測定可能な角度計、又は、アーム１３とブラケット１７との間の角度を測定可能な角度計）であってもよい。

【0030】

切羽面Ｋ１の角度を検出する切羽面角度検出部２ｆは、例えば、切羽面Ｋ１に沿わせて設置することで傾斜を測定できる傾斜計や、切羽面Ｋ１の形状を測定可能なレーザスキャナやトータルステーションであってもよい。なお、傾斜計は、重力方向に対する角度を検出可能である。また、傾斜計は、水平方向に対する角度を検出可能であってもよい。

【0031】

切羽評価装置１は、前述した評価指標を用いて切羽Ｋの強度を算出する強度算出部５を有する。強度算出部５は、例えば、情報端末４にインストールされたソフトウェアである。強度算出部５は、切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃時における評価指標、及びブレーカ１５の打撃角度θを用いて切羽Ｋの強度を算出する。例えば、強度算出部５は、振動加速度収集部２ｂによって収集された加速度、及びブレーカ１５の打撃角度θを用いて切羽Ｋの強度を算出する。また、強度算出部５は、打撃音収集部２ｃによって収集された音、及びブレーカ１５の打撃角度θから切羽Ｋの強度を算出してもよい。

【0032】

切羽Ｋの強度の算出においては、切羽面Ｋ１に対するブレーカ１５の角度も影響する。図４（ａ）に示されるように、切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが０°である場合（切羽面Ｋ１の直交方向にノミ１６が延在する場合）を基準とすると、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示されるように、切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが下向きの場合、及び、特に切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが上向きの場合には、振動加速度収集部２ｂによって収集される加速度値（振動値）、打撃音収集部２ｃによって収集される音圧レベルが安定せず、音圧レベルが大きくなる傾向がある。

【0033】

図５（ａ）は切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが０°である場合における振動加速度データ、図５（ｂ）は切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが上向き３０°である場合における振動加速度データ、図５（ｃ）は切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが下向き３０°である場合における振動加速度データ、を示している。

【0034】

図５（ａ）、図５（ｂ）及び図５（ｃ）のそれぞれにおける「地山打撃」は切羽Ｋを打撃した場合、「鏡吹き付け打撃」はコンクリートが吹き付けられた切羽Ｋを打撃した場合、の振動加速度レベルを示している。一般的には、コンクリートが吹き付けられた切羽Ｋの強度は、コンクリートが吹き付けられていない切羽Ｋの強度よりも高いので、鏡吹き付け打撃の方が高い振動加速度レベルを得られるはずである。

【0035】

図５（ａ）及び図５（ｃ）に示されるように、切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが０°である場合、及び切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが下向き３０°である場合には、１ｋＨｚ～８ｋＨｚの周波数帯域において鏡吹き付け打撃の方が高い振動加速度レベルを得られた。

【0036】

これに対し、図５（ｂ）に示されるように、切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが上向き３０°である場合には、鏡吹付打撃の場合と地山打撃の場合とで有意な差が見られなかった。従って、切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが０°又は下向き３０°である場合には切羽Ｋの強度を高精度に算出できているが、打撃角度θが上向き３０°である場合には切羽Ｋの強度を高精度に算出できていないことが分かった。

【0037】

以上の傾向を踏まえて、強度算出部５は、切羽面Ｋ１の直交方向に対して、上向きを正の角度方向、下向きを負の角度方向とし、θ１を負の実数、θ２を正の実数とした場合において、打撃角度θがθ１≦θ≦θ２を満たすときにおける評価指標から切羽Ｋの強度を算出する。θ１の絶対値は、θ２の絶対値よりも大きい。例えば、θ１は－３０°であり、θ２は１５°である。この場合、強度算出部５は、打撃角度θがθ１未満又はθ２よりも大きい場合における評価指標を排除して強度を算出できるので、より高精度な強度の算出が可能である。

【0038】

また、強度算出部５は、評価指標から評価値を算出して、当該評価値に打撃角度θの値に応じた補正係数Ａ（但しＡは正の実数）を掛けて評価値を補正してもよい。補正係数Ａは、打撃角度θの絶対値が大きいほど小さい値である。補正係数Ａの大小の具体例について以下で説明する。θ１を負の実数、θ３をθ１より大きい負の実数、θ４を正の実数、θ２をθ４より大きい正の実数とした場合において、打撃角度θがθ３≦θ≦θ４を満たすときにおける補正係数Ａの値は、打撃角度θがθ１＜θ＜θ３を満たすときにおける補正係数Ａの値、及び、打撃角度θがθ４＜θ＜θ２を満たすときにおける補正係数Ａの値、よりも大きい。

【0039】

また、打撃角度θがθ１＜θ＜θ３を見たすときにおける補正係数Ａの値は、打撃角度θがθ４＜θ＜θ２を満たすときにおける補正係数Ａの値、よりも大きい。このように、打撃角度θが０°に近いときの補正係数Ａ、及び打撃角度θが下向きであるときの補正係数Ａは、打撃角度θが上向きであるときの補正係数Ａよりも大きい。

【0040】

次に、強度算出部５による切羽Ｋの強度の評価方法の例について説明する。以下では、情報端末４にインストールされているソフトウェアである強度算出部５による強度の計測ソフトウェアの動作の例について説明する。まず、情報端末４において計測ソフトウェアを起動する。

【0041】

計測ソフトウェアを起動すると、例えば図６に示されるように、切羽Ｋが分割表示された画面が情報端末４に表示される。一例として、当該画面は、切羽Ｋの天端部「１」、左側上部「２」、右側上部「３」、左側下部「４」及び右側下部「５」を示すように表示される。次に、当該画面からブレーカ１５による打撃箇所を選択する。例えば、当該画面において、天端部「１」、左側上部「２」、右側上部「３」、左側下部「４」及び右側下部「５」のいずれかをタップする。

【0042】

そして、切羽Ｋに対するブレーカ１５の向きを水平にした後に情報端末４に表示されている測定ボタンを押し、切羽Ｋの選択した部分をブレーカ１５で打撃する。このとき、センサ２が評価指標を収集する。具体例として、振動加速度収集部２ｂが振動加速度レベルを収集し、打撃音収集部２ｃが音を収集し、ブレーカ打撃角度検出部２ｄが打撃角度θを検出する。

【0043】

センサ２によって収集された評価指標は、例えば、ケーブル３を介して情報端末４に出力されて情報端末４に記録される。強度算出部５は、情報端末４に記録された評価指標から切羽Ｋの強度を算出する。例えば、強度算出部５は、振動加速度収集部２ｂによって収集された振動加速度のデータに対して周波数分析（一例としてＦＦＴ解析、１／３オクターブバンド）を行い、所定の周波数帯域における最大又は平均の信号強度を算出する（図５（ａ）参照）。

【0044】

例えば、強度算出部５は、このときパーシャルオーバーオール値（ＰＯＡ）を算出する。ＰＯＡは、所定の周波数帯域における振幅の二乗値の総和であり、ＦＦＴ解析後の所定の周波数帯域の振幅の大きさを監視するときに使用される物理値である。ＰＯＡが高いほど強度が高い（硬い）ことを示しており、ＰＯＡが小さいほど強度が低い（柔らかい）ことを示している。

【0045】

例えば、図７に示されるように、ＰＯＡと地山強度（切羽Ｋの強度）との関係を示す近似式が予め設定されている。上記のように強度算出部５がＰＯＡを算出した後には、強度算出部５は算出したＰＯＡと当該近似式から切羽Ｋの強度を算出する。例えば、算出される切羽Ｋの強度は予め複数の区分（一例として区分１、区分２、区分３及び区分４）に区分けされている。

【0046】

この場合、強度算出部５は、算出した切羽Ｋの強度と共に、区分を表示して切羽Ｋを評価する。例えば、区分４が最も強度が高い、区分３が２番目に強度が高い、区分２が３番目に強度が高い、区分１が最も強度が小さいことを示している。バックホウ１０の操作者等は、強度算出部５によって算出された切羽Ｋの強度及び区分を見ることによって切羽Ｋを評価することができる。

【0047】

次に、本実施形態に係る切羽評価装置１から得られる作用効果についてより詳細に説明する。図２～図４に示されるように、切羽評価装置１では、基体１１及びブレーカ１５を備えるバックホウ１０によってトンネルの切羽Ｋが評価される。切羽評価装置１は振動加速度収集部２ｂと強度算出部５とを備え、加速度計である振動加速度収集部２ｂが切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃時における加速度を収集する。そして、加速度から振動加速度レベルを導出する。強度算出部５は、振動加速度収集部２ｂによって収集された加速度から切羽Ｋの強度を算出する。切羽Ｋに対するブレーカ１５の打撃時に生じる加速度からは、切羽Ｋの硬さ等の強度を高精度に得られる。従って、強度算出部５が加速度から強度を算出することによって、切羽Ｋの強度を高精度に評価することができる。また、切羽評価装置１では、切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃時における加速度を収集して切羽Ｋの強度を評価できる。従って、ブレーカ１５を用いて容易に且つ高精度にトンネルの切羽Ｋの状態を評価することができる。

【0048】

本実施形態において、切羽評価装置１は、切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃角度θを検出するブレーカ打撃角度検出部２ｄを備え、強度算出部５は、加速度、及びブレーカの打撃角度θを用いて切羽Ｋの強度を算出する。切羽Ｋに対する打撃力は、切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃角度θに依存する。例えば、切羽面Ｋ１の直交方向に対してブレーカ１５が上向きとなる場合よりも、切羽面Ｋ１の直交方向に対してブレーカ１５が下向きとなる場合の方が、切羽面Ｋ１に対して好適に打撃力を付与できる。従って、ブレーカ打撃角度検出部２ｄがブレーカ１５の打撃角度θを検出し、強度算出部５がブレーカ１５の打撃角度θを用いて切羽Ｋの強度を算出することにより、切羽Ｋの強度等の状態をより高精度に評価することができる。

【0049】

また、切羽評価装置１では、マイクである打撃音収集部２ｃが切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃時における打撃音を収集し、ブレーカ打撃角度検出部２ｄが切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃角度θを検出してもよい。この場合、強度算出部５は、マイクによって収集された打撃時の音、及びブレーカ１５の打撃角度θから切羽Ｋの強度を算出する。強度算出部５は上記のブレーカ１５の打撃角度θを加味して打撃時の音から切羽Ｋの強度を算出するので、切羽Ｋの強度を高精度に算出できる。更に、切羽評価装置１では、切羽Ｋへのブレーカ１５の打撃時における音を収集して切羽Ｋの強度を評価できる。よって、ブレーカ１５を用いて容易に且つ高精度にトンネルの切羽Ｋの状態を評価することができる。

【0050】

本実施形態において、ブレーカ打撃角度検出部２ｄは、基体１１に対するブレーカ１５の延在方向を打撃角度θとして検出する機構を含んでもよい。この場合、バックホウ１０の基体１１に対するブレーカ１５の延在方向が打撃角度θとして検出されるので、検出された打撃角度θからより高精度に切羽Ｋの状態を評価することができる。

【0051】

本実施形態において、切羽評価装置１は、更に、切羽Ｋの切羽面Ｋ１の角度を検出する切羽面角度検出部２ｆを備えてもよく、ブレーカ打撃角度検出部２ｄと切羽面角度検出部２ｆにより、切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の延在方向の角度を打撃角度θとして検出してもよい。この場合、切羽Ｋの切羽面Ｋ１に対するブレーカ１５の向きから打撃角度θが検出される。従って、高精度に検出された打撃角度θに基づいてより高精度に切羽Ｋの状態を評価することができる。

【0052】

前述したように、強度算出部５は、直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θがθ１≦θ≦θ２を満たすときにおける評価指標から、切羽Ｋの強度を算出してもよい。この場合、切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θが一定角度範囲内のときの評価指標から切羽Ｋの強度が算出される。従って、打撃角度θが一定角度範囲外の評価指標を排除できるので、切羽Ｋの強度をより高精度に算出することができる。

【0053】

前述したように、強度算出部５は、評価指標から評価値を算出して、評価値に補正係数Ａ（但しＡは正の実数）を掛けて評価値を補正してもよく、補正係数Ａは、直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θの絶対値が大きいほど小さい値であってもよい。この場合、切羽面Ｋ１の直交方向に対するブレーカ１５の打撃角度θの絶対値が小さいほど大きな補正係数Ａを評価値に掛ける。従って、当該直交方向に対する打撃角度θの絶対値が大きく精度が低い評価値に小さい補正係数Ａを掛け、当該直交方向に対する打撃角度θの絶対値が小さく精度が高い評価値に大きい補正係数Ａを掛けることにより、評価値の精度を一層高めることができる。その結果、切羽の強度等の状態を一層高精度に評価することができる。

【0054】

（実施例）
次に、本実施形態に係る切羽評価装置１の実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例の内容に限定されない。まず、力学物性値が互いに異なる３つのコンクリート試験体（以下では試験体１、試験体２、試験体３と称する）を鉛直下向きに一定圧力で打撃したときの振動加速度レベルを切羽評価装置１によって測定した。切羽評価装置１ではブレーカ１５に振動加速度収集部２ｂを設置すると共にキャビン１１ｂに騒音計を設置して音圧レベルも測定した。試験体１、試験体２及び試験体３のそれぞれは、幅２ｍ×奥行２ｍ×高さ１ｍの大きさとし、一軸圧縮試験、打球探査及び弾性波測定値の測定を行い、以下の表１の力学物性値が得られた。

【表1】

【0055】

また、試験体１、試験体２及び試験体３のそれぞれに対して、前述した強度の評価方法を実行して振動加速度レベル及び音圧レベルを測定した。図８は振動加速度レベルの測定結果を示すグラフであり、図９は音圧レベルの測定結果を示すグラフである。図８及び図９に示されるように、振動加速度レベル及び音圧レベル共に高周波数帯域において、高強度の試験体３ほど強い信号を得られることが分かった。この測定では、振動加速度レベルが８００Ｈｚ～４ｋＨｚの周波数帯域、音圧レベルが３ｋＨｚ～６ｋＨｚの周波数帯域であるときに、試験体の力学物性に応じて信号レベルが変化している。よって、振動加速度又は音圧を測定することによって試験体の力学特性を推定できることが分かった。

【0056】

更に、試験体２に対してブレーカ１５の打撃角度θを変えながら試験体２の一軸圧縮強度を算出する測定を行った。その測定内容及び測定結果を以下の表２及び表３に示す。表２及び表３のそれぞれでは、試験体２の一軸圧縮強度の算出値等を試料１、試料２、試料３、試料４及び試料５として記載している。表２は、振動加速度収集部２ｂによって収集された加速度（評価指標から算出された評価値）を補正して一軸圧縮強度を算出した結果を示している。表３は、打撃音収集部２ｃによって収集された音量（評価指標から算出された評価値）を補正して一軸圧縮強度を算出した結果を示している。表２において、一軸圧縮強度Ｙ１は、以下の式（１）から算出した。
Y1＝(係数a1×（加速度X1-係数b1）)×補正係数 ・・・（１）
また、表３において、一軸圧縮強度Ｙ１は、以下の式（２）から算出した。
Y2＝(係数a2×（音量X2-係数b2）)×補正係数 ・・・（２）

【表2】

【表3】

【0057】

表２及び表３に示されるように、打撃角度θが下向きであるときの補正係数を打撃角度θが０°であるときの補正係数以下にし、打撃角度θが上向きであるときの補正係数を打撃角度θが下向きであるときの補正係数より小さくし、且つ、打撃角度θが０°に近いときに補正係数をより大きくする場合、試験体２の一軸圧縮強度として表１の値と近い値を算出できることが分かった。上記のように打撃角度θの値に応じて互いに異なる複数の補正係数を用いることにより、一軸圧縮強度を高精度に測定できることが分かった。

【0058】

以上、本開示に係る切羽評価装置の実施形態及び実施例について説明した。しかしながら、本開示は、前述した実施形態又は実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨の範囲内において適宜変更可能である。すなわち、切羽評価装置の各部の構成、機能、形状、大きさ、数、材料及び配置態様は、上記の要旨の範囲内において適宜変更可能である。

【0059】

例えば、前述の実施形態では、センサ２が振動加速度収集部２ｂ及び打撃音収集部２ｃを有する例について説明した。しかしながら、センサは、振動加速度収集部２ｂ及び打撃音収集部２ｃのうちの一方のみを有するものであってもよい。すなわち、切羽評価装置は、加速度及び音のいずれかのみを用いて切羽を評価してもよい。

【0060】

また、前述の実施形態では、重機がバックホウ１０である切羽評価装置１について説明した。しかしながら、バックホウの構成は、バックホウ１０に限られず適宜変更可能である。更に、重機は、バックホウ以外のものであってもよい。このように、本開示に係る切羽評価装置は種々の重機に適用させることができる。

【符号の説明】

【0061】

１…切羽評価装置、２…センサ、２ｂ…振動加速度収集部、２ｃ…打撃音収集部、２ｄ…ブレーカ打撃角度検出部、２ｆ…切羽面角度検出部、３…ケーブル、４…情報端末、５…強度算出部、１０…バックホウ、１１…基体、１１ｂ…キャビン、１２…ブーム、１３…アーム、１５…ブレーカ、１６…ノミ、１７…ブラケット、Ｇ…地山、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…層、Ｋ…切羽、Ｋ１…切羽面、θ…打撃角度。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】