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特開2025-11846障害物接触状態取得システム及び、障害物接触状態取得方法
(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】P2025011846
(43)【公開日】2025-01-24
(54)【発明の名称】障害物接触状態取得システム及び、障害物接触状態取得方法
(51)【国際特許分類】
E21D 9/093 20060101AFI20250117BHJP
【ＦＩ】
E21D9/093 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023114211
(22)【出願日】2023-07-12
(71)【出願人】
【識別番号】000000549
【氏名又は名称】株式会社大林組
(74)【代理人】
【識別番号】110000213
【氏名又は名称】弁理士法人プロスペック特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100171619
【弁理士】
【氏名又は名称】池田 顕雄
(72)【発明者】
【氏名】松原 健太
(72)【発明者】
【氏名】上田 潤
(72)【発明者】
【氏名】大前 慶恵
(72)【発明者】
【氏名】今岡 洋輔
【テーマコード（参考）】
2D054
【Ｆターム（参考）】
2D054AC02
2D054BA03
2D054BB01
2D054GA15
2D054GA17
2D054GA66
2D054GA83
2D054GA92
(57)【要約】
【課題】障害物の接触状態を、センサの破損を招くことなく効果的に取得する。
【解決手段】筒状のスキンプレート３１と、スキンプレート３１の前端に設けられたカッターヘッド４０と、スキンプレート３１内にカッターヘッド４０と離間して対向配置された隔壁５０とを含むシールド掘進機３０に適用され、カッターヘッド４０によって掘削される障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得システム１０であって、シールド掘進機３０の切羽と接触しない部分のうち、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置に設置されるＡＥセンサ２０と、ＡＥセンサ２０によって取得されるＡＥ信号に基づき、障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得部１００，２００，２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０と、を備えた。
【選択図】図１
【解決手段】筒状のスキンプレート３１と、スキンプレート３１の前端に設けられたカッターヘッド４０と、スキンプレート３１内にカッターヘッド４０と離間して対向配置された隔壁５０とを含むシールド掘進機３０に適用され、カッターヘッド４０によって掘削される障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得システム１０であって、シールド掘進機３０の切羽と接触しない部分のうち、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置に設置されるＡＥセンサ２０と、ＡＥセンサ２０によって取得されるＡＥ信号に基づき、障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得部１００，２００，２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０と、を備えた。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
筒状のスキンプレートと、前記スキンプレートの前端に設けられたカッターヘッドと、前記スキンプレート内に前記カッターヘッドと離間して対向配置された隔壁とを含むシールド掘進機に適用され、前記カッターヘッドによって掘削される障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得システムであって、
前記シールド掘進機の切羽と接触しない部分のうち、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置に設置されるＡＥセンサと、
前記ＡＥセンサによって取得されるＡＥ信号に基づき、前記障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得部と、を備える
ことを特徴とする障害物接触状態取得システム。
前記シールド掘進機の切羽と接触しない部分のうち、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置に設置されるＡＥセンサと、
前記ＡＥセンサによって取得されるＡＥ信号に基づき、前記障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得部と、を備える
ことを特徴とする障害物接触状態取得システム。
【請求項2】
請求項１に記載の障害物接触状態取得システムであって、
前記ＡＥセンサは、
前記カッターヘッドが備えるカッタースポークの内部又は、前記隔壁の前記カッターヘッドとは反対側の後面に設置される
障害物接触状態取得システム。
前記ＡＥセンサは、
前記カッターヘッドが備えるカッタースポークの内部又は、前記隔壁の前記カッターヘッドとは反対側の後面に設置される
障害物接触状態取得システム。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の障害物接触状態取得システムであって、
前記障害物接触状態取得部は、
地山を掘進中に前記ＡＥセンサによって取得されるＡＥ信号の最大振幅及び、又はエネルギーに基づき、掘削対象の地山に障害物が存在するか否かを判定する障害物判定処理を実行する
障害物接触状態取得システム。
前記障害物接触状態取得部は、
地山を掘進中に前記ＡＥセンサによって取得されるＡＥ信号の最大振幅及び、又はエネルギーに基づき、掘削対象の地山に障害物が存在するか否かを判定する障害物判定処理を実行する
障害物接触状態取得システム。
【請求項4】
請求項３に記載の障害物接触状態取得システムであって、
前記障害物接触状態取得部は、
前記障害物判定処理によって障害物が存在すると判定した場合に、前記障害物のＡＥ信号の最大振幅及び、又はエネルギーに基づき、前記障害物の種別を判定する種別判定処理をさらに実行する
障害物接触状態取得システム。
前記障害物接触状態取得部は、
前記障害物判定処理によって障害物が存在すると判定した場合に、前記障害物のＡＥ信号の最大振幅及び、又はエネルギーに基づき、前記障害物の種別を判定する種別判定処理をさらに実行する
障害物接触状態取得システム。
【請求項5】
請求項１又は２に記載の障害物接触状態取得システムであって、
前記障害物接触状態取得部は、
地山を掘進中に前記ＡＥセンサによって取得されるＡＥ信号の最大振幅及び、又はエネルギーに基づき、前記シールド掘進機が掘削対象の地山を掘削する際の負荷である掘削負荷を演算する掘削負荷演算処理を実行する
障害物接触状態取得システム。
前記障害物接触状態取得部は、
地山を掘進中に前記ＡＥセンサによって取得されるＡＥ信号の最大振幅及び、又はエネルギーに基づき、前記シールド掘進機が掘削対象の地山を掘削する際の負荷である掘削負荷を演算する掘削負荷演算処理を実行する
障害物接触状態取得システム。
【請求項6】
請求項５に記載の障害物接触状態取得システムであって、
前記掘削負荷演算処理によって演算した前記掘削負荷が大きいほど、前記シールド掘進機の掘進速度を減速させる掘進速度設定部をさらに備える
障害物接触状態取得システム。
前記掘削負荷演算処理によって演算した前記掘削負荷が大きいほど、前記シールド掘進機の掘進速度を減速させる掘進速度設定部をさらに備える
障害物接触状態取得システム。
【請求項7】
請求項６に記載の障害物接触状態取得システムであって、
前記掘削負荷演算処理によって演算される前記掘削負荷に基づき、前記シールド掘進機が前記障害物を掘削することが可能であるか否かを判定する掘削可否判定部をさらに備える
障害物接触状態取得システム。
前記掘削負荷演算処理によって演算される前記掘削負荷に基づき、前記シールド掘進機が前記障害物を掘削することが可能であるか否かを判定する掘削可否判定部をさらに備える
障害物接触状態取得システム。
【請求項8】
筒状のスキンプレートと、前記スキンプレートの前端に設けられたカッターヘッドと、前記スキンプレート内に前記カッターヘッドと離間して対向配置された隔壁とを含むシールド掘進機に適用され、前記カッターヘッドによって掘削される障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得方法であって、
前記シールド掘進機の切羽と接触しない部分のうち、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置にＡＥセンサを設置し、
前記ＡＥセンサによって取得されるＡＥ信号に基づき、前記障害物の接触状態を取得する
ことを特徴とする障害物接触状態取得方法。
前記シールド掘進機の切羽と接触しない部分のうち、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置にＡＥセンサを設置し、
前記ＡＥセンサによって取得されるＡＥ信号に基づき、前記障害物の接触状態を取得する
ことを特徴とする障害物接触状態取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、障害物接触状態取得システム及び、障害物接触状態取得方法に関し、特に、シールド掘進機を用いたシールド工事において、掘削対象の障害物の接触状態の取得に好適な技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、シールド工事においては、掘進の支障となる杭や土留め壁などをシールド掘進機によって直接掘削する工事が増えている。また、シールド掘進機の掘進中に、想定していなかった障害物と遭遇する事例も増えている。高強度の障害物の掘削によりカッタービット等が破損すると、シールド掘進機が掘進不能な状態となり、工期の遅延を招くことになる。このため、シールド工事においては、掘削対象の障害物の接触状態を適宜に取得し、取得結果を施工管理や施工対策に適切に反映することが重要となる。
【0003】
例えば、特許文献１には、カッターヘッドの前面に、切羽との接触により土質に応じた電気信号を出力する受振センサを設け、該受振センサの出力結果に基づいて土質を判別する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平５－１００９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１記載の技術において、受振センサは切羽に直接的に接触するように構成されている。このため、シールド掘進機の掘進中に、例えば、金属等の高強度の障害物が切羽に露出した場合に、受振センサが障害物との接触により破損してしまう虞がある。
【0006】
また、特許文献１記載の技術では、受振センサを切羽に当接させるためのスプリングやレバー等がカッターヘッドの前面に設けられている。このため、掘削土砂等がスプリングやレバーに付着して堆積すると、受振センサを切羽に確実に接触させられなくなり、検知精度の低下を招く可能性もある。また、受振センサやスプリング等が破損した場合に、それらを交換するには、作業員がカッターヘッドの前面にアクセスしなければならず、交換作業に時間や労力が掛かるといった課題もある。
【0007】
本開示の技術は、上記事情に鑑みてなされたものであり、掘削対象の障害物の接触状態を、センサの破損を招くことなく効果的に取得することができる技術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】
【0008】
本開示の障害物接触状態取得システムは、
筒状のスキンプレート（３１）と、前記スキンプレート（３１）の前端に設けられたカッターヘッド（４０）と、前記スキンプレート（３１）内に前記カッターヘッド（４０）と離間して対向配置された隔壁（５０）とを含むシールド掘進機（３０）に適用され、前記カッターヘッド（４０）によって掘削される障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得システム（１０）であって、
前記シールド掘進機（３０）の切羽と接触しない部分のうち、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置に設置されるＡＥセンサ（２０）と、
前記ＡＥセンサ（２０）によって取得されるＡＥ信号に基づき、前記障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得部（１００，２００，２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０）と、を備える
ことを特徴とする。
筒状のスキンプレート（３１）と、前記スキンプレート（３１）の前端に設けられたカッターヘッド（４０）と、前記スキンプレート（３１）内に前記カッターヘッド（４０）と離間して対向配置された隔壁（５０）とを含むシールド掘進機（３０）に適用され、前記カッターヘッド（４０）によって掘削される障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得システム（１０）であって、
前記シールド掘進機（３０）の切羽と接触しない部分のうち、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置に設置されるＡＥセンサ（２０）と、
前記ＡＥセンサ（２０）によって取得されるＡＥ信号に基づき、前記障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得部（１００，２００，２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０）と、を備える
ことを特徴とする。
【0009】
本開示の障害物接触状態取得システムの他の態様において、
前記ＡＥセンサ（２０）は、
前記カッターヘッド（４０）が備えるカッタースポーク（４５）の内部又は、前記隔壁（５０）の前記カッターヘッド（４０）とは反対側の後面に設置されることが好ましい。
前記ＡＥセンサ（２０）は、
前記カッターヘッド（４０）が備えるカッタースポーク（４５）の内部又は、前記隔壁（５０）の前記カッターヘッド（４０）とは反対側の後面に設置されることが好ましい。
【0010】
本開示の障害物接触状態取得システムの他の態様において、
前記障害物接触状態取得部（１００，２００，２１０，２２０，２３０，２４０）は、
地山を掘進中に前記ＡＥセンサ（２０）によって取得されるＡＥ信号の最大振幅（ＭＡ）及び、又はエネルギー（ＥＮ）に基づき、掘削対象の地山に障害物が存在するか否かを判定する障害物判定処理を実行する
ことが好ましい。
前記障害物接触状態取得部（１００，２００，２１０，２２０，２３０，２４０）は、
地山を掘進中に前記ＡＥセンサ（２０）によって取得されるＡＥ信号の最大振幅（ＭＡ）及び、又はエネルギー（ＥＮ）に基づき、掘削対象の地山に障害物が存在するか否かを判定する障害物判定処理を実行する
ことが好ましい。
【0011】
本開示の障害物接触状態取得システムの他の態様において、
前記障害物接触状態取得部（１００，２００，２１０，２２０，２３０，２５０）は、
前記障害物判定処理によって障害物が存在すると判定した場合に、前記障害物のＡＥ信号の最大振幅（ＭＡ）及び、又はエネルギー（ＥＮ）に基づき、前記障害物の種別を判定する種別判定処理をさらに実行する
ことが好ましい。
前記障害物接触状態取得部（１００，２００，２１０，２２０，２３０，２５０）は、
前記障害物判定処理によって障害物が存在すると判定した場合に、前記障害物のＡＥ信号の最大振幅（ＭＡ）及び、又はエネルギー（ＥＮ）に基づき、前記障害物の種別を判定する種別判定処理をさらに実行する
ことが好ましい。
【0012】
本開示の障害物接触状態取得システムの他の態様において、
前記障害物接触状態取得部（１００，２００，２１０，２２０，２３０，２６０）は、
地山を掘進中に前記ＡＥセンサ（２０）によって取得されるＡＥ信号の最大振幅（ＭＡ）及び、又はエネルギー（ＥＮ）に基づき、前記シールド掘進機（３０）が掘削対象の地山を掘削する際の負荷である掘削負荷を演算する掘削負荷演算処理を実行する
ことが好ましい。
前記障害物接触状態取得部（１００，２００，２１０，２２０，２３０，２６０）は、
地山を掘進中に前記ＡＥセンサ（２０）によって取得されるＡＥ信号の最大振幅（ＭＡ）及び、又はエネルギー（ＥＮ）に基づき、前記シールド掘進機（３０）が掘削対象の地山を掘削する際の負荷である掘削負荷を演算する掘削負荷演算処理を実行する
ことが好ましい。
【0013】
本開示の障害物接触状態取得システムの他の態様は、
前記掘削負荷演算処理によって演算した前記掘削負荷が大きいほど、前記シールド掘進機（３０）の掘進速度を減速させる掘進速度設定部（２７０）をさらに備える
ことが好ましい。
前記掘削負荷演算処理によって演算した前記掘削負荷が大きいほど、前記シールド掘進機（３０）の掘進速度を減速させる掘進速度設定部（２７０）をさらに備える
ことが好ましい。
【0014】
本開示の障害物接触状態取得システムの他の態様は、
前記掘削負荷演算処理によって演算される前記掘削負荷に基づき、前記シールド掘進機（３０）が前記障害物を掘削することが可能であるか否かを判定する掘削可否判定部（２８０）をさらに備える
ことが好ましい。
前記掘削負荷演算処理によって演算される前記掘削負荷に基づき、前記シールド掘進機（３０）が前記障害物を掘削することが可能であるか否かを判定する掘削可否判定部（２８０）をさらに備える
ことが好ましい。
【0015】
本開示の障害物接触状態取得方法は、
筒状のスキンプレート（３１）と、前記スキンプレート（３１）の前端に設けられたカッターヘッド（４０）と、前記スキンプレート（３１）内に前記カッターヘッド（４０）と離間して対向配置された隔壁（５０）とを含むシールド掘進機（３０）に適用され、前記カッターヘッド（４０）によって掘削される障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得方法であって、
前記シールド掘進機（３０）の切羽と接触しない部分のうち、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置にＡＥセンサ（２０）を設置し、
前記ＡＥセンサ（２０）によって取得されるＡＥ信号に基づき、前記障害物の接触状態を取得する
ことを特徴とする。
筒状のスキンプレート（３１）と、前記スキンプレート（３１）の前端に設けられたカッターヘッド（４０）と、前記スキンプレート（３１）内に前記カッターヘッド（４０）と離間して対向配置された隔壁（５０）とを含むシールド掘進機（３０）に適用され、前記カッターヘッド（４０）によって掘削される障害物の接触状態を取得する障害物接触状態取得方法であって、
前記シールド掘進機（３０）の切羽と接触しない部分のうち、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置にＡＥセンサ（２０）を設置し、
前記ＡＥセンサ（２０）によって取得されるＡＥ信号に基づき、前記障害物の接触状態を取得する
ことを特徴とする。
【0016】
上記説明においては、本開示の理解を助けるために、実施形態に対応する構成要件に対して、実施形態で用いた符号を括弧書きで添えているが、各構成要件は、前記符号によって規定される実施形態に限定されるものではない。
【発明の効果】
【0017】
本開示の障害物接触状態取得システム及び、障害物接触状態取得方法によれば、掘削対象の障害物の接触状態を、センサの破損を招くことなく効果的に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本実施形態に係る障害物接触状態取得システムが適用されるシールド掘進機を示す模式的な縦断面図である。
【図2】本実施形態に係るシールド掘進機のカッターヘッドを示す模式的な正面図である。
【図3】本実施形態に係るシールド掘進機のカッタースポークを示す模式的な断面図である。
【図4】変形例の障害物接触状態取得システムが適用されるシールド掘進機を示す模式的な縦断面図である。
【図5】本実施形態に係るＡＥセンサを取り付けるための固定治具を示す模式的な斜視図である。
【図6】本実施形態に係る情報処理装置のハードウェア構成の一例を示す模式図である。
【図7】本実施形態に係る情報処理装置のソフトウェア構成の一例を示す模式図である。
【図8】本実施形態に係る解析データ（ＡＥ信号の最大振幅）の一例を示す模式図である。
【図9】本実施形態に係る解析データ（ＡＥ信号のエネルギー）の一例を示す模式図である。
【図10】本実施形態に係る掘削負荷を演算するためのルックアップテーブルを示す模式図である。
【図11】本実施形態に係る掘進速度を設定するためのルックアップテーブルを示す模式図である。
【図12】本実施形態に係る障害物接触状態取得の処理のルーチンを説明するフローチャートである。
【図13】変形例の情報処理装置のソフトウェア構成の一例を示す模式図である。
【図14】変形例の障害物接触状態取得の処理のルーチンを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る障害物接触状態取得システム及び、障害物接触状態取得方法について説明する。
【0020】
［全体構成］
図１は、本実施形態に係る障害物接触状態取得システム１０が適用されるシールド掘進機３０を示す模式的な縦断面図である。
図１は、本実施形態に係る障害物接触状態取得システム１０が適用されるシールド掘進機３０を示す模式的な縦断面図である。
【0021】
シールド掘進機３０は、地山や地盤に掘削した掘削坑の内壁に複数のセグメントＳを組み立てることによりシールドトンネルＴを構築する。以下では、シールド掘進機３０の掘進方向を「前方」といい、掘進方向とは反対方向を「後方」という。
【0022】
シールド掘進機３０は、円筒状のスキンプレート３１と、スキンプレート３１の前端に配置されたカッターヘッド４０と、スキンプレート３１内のカッターヘッド４０よりも後方に、カッターヘッド４０と離間して対向配置された隔壁５０とを備えている。
【0023】
隔壁５０には、カッターヘッド４０のロータリージョイント４１が不図示のベアリング等を介して回転自在に支持されている。また、隔壁５０には、回転リング３２が不図示のベアリング等を介して回転自在に支持されている。回転リング３２は、連結ビーム３３を介してカッターヘッド４０に一体回転可能に連結されている。
【0024】
スキンプレート３１の内部には、回転リング３２に不図示のギヤ機構等を介して回転力を伝達可能な複数の駆動モータ３５が設けられている。駆動モータ３５の回転動力によって回転リング３２を回転させると、カッターヘッド４０が地山に押し付けられた状態で回転することにより、地山が掘削される。
【0025】
スキンプレート３１内のカッターヘッド４０と隔壁５０との間には、チャンバ５５が区画形成されている。チャンバ５５内には、カッターヘッド４０によって掘削された土砂が、カッターヘッド４０の開口部４９（図２参照）を通じて充填される。チャンバ５５内の土砂には、不図示の添加装置によって添加材が添加される。添加材は、チャンバ５５内の土砂を塑性流動状態の泥土とする。
【0026】
図１に示されるシールド掘進機３０は、チャンバ５５内に泥土を充填して掘進することにより泥土圧を発生させ、その泥土圧を切羽の土圧に対抗させた状態で掘進を行ういわゆる泥土圧シールド掘進機である。なお、本開示の障害物接触状態取得システム１０が適用されるシールド掘進機３０は、図示例の泥土圧シールド掘進機に制限されず、泥水式シールド掘削機であってもよい。
【0027】
スキンプレート３１の内部には、スクリューコンベア６０、ジャッキ６４及び、エレクタ６８が設けられている。スクリューコンベア６０は、チャンバ５５の内部から泥土を排出する。ジャッキ６４は、スキンプレート３１の内周面に周方向に所定の間隔を置いて複数配置されている。ジャッキ６４は、既設セグメントＳから反力をとることにより、シールド掘進機３０を前方に掘進させる。エレクタ６８は、セグメントＳを保持して周方向に回転することにより、セグメントＳをリング状に組み立てる。
【0028】
なお、図１中の符号ＢＭは、不図示の裏込注入装置によってセグメントＳの外周と掘削坑の内壁との間に注入された裏込材を示している。スキンプレート３１の後端側には、スキンプレート３１と既設セグメントＳとの隙間から裏込材ＢＭや地下水等が浸入することを防止するためのテールシール６９が設けられている。
【0029】
［カッターヘッド］
カッターヘッド４０は、外周リング４２と、内周リング４３と、中心筒部４４と、複数のカッタースポーク４５と、センターカッタ４６と、複数のカッタービット４７と、複数の補助カッタースポーク４８（図２参照）とを備えている。なお、内周リング４３及び、補助カッタースポーク４８は、カッターヘッド４０の径等によっては、備えない場合もある。
カッターヘッド４０は、外周リング４２と、内周リング４３と、中心筒部４４と、複数のカッタースポーク４５と、センターカッタ４６と、複数のカッタービット４７と、複数の補助カッタースポーク４８（図２参照）とを備えている。なお、内周リング４３及び、補助カッタースポーク４８は、カッターヘッド４０の径等によっては、備えない場合もある。
【0030】
外周リング４２は、スキンプレート３１と略同径のリング状に形成されている。内周リング４３は、外周リング４２よりも小径のリング状に形成されている。中心筒部４４は、両端が閉塞（但し、ケーブルや配管等を挿通する部分は除く）された円筒状に形成されている。これら外周リング４２、内周リング４３及び、中心筒部４４は、同心上に配置されている。内周リング４３の後端には、連結ビーム３３が接続されている。
【0031】
中心筒部４４の後面には、ロータリージョイント４１が接続されている。また、中心筒部４４の外周面には、カッタースポーク４５が接続されている。中心筒部４４、ロータリージョイント４１及び、カッタースポーク４５は、中空状に形成されており、その内部にはケーブルＣ１等を配策するためのスペースが設けられている。
【0032】
図２に示すように、複数のカッタースポーク４５は、中心筒部４４から外周リング４２に亘って放射状に設けられている。カッタースポーク４５の前面及び側面には、複数のカッタービット４７が取り付けられている。複数の補助カッタースポーク４８は、周方向に隣り合うカッタースポーク４５の略中間位置に設けられている。補助カッタースポーク４８は、内周リング４３から外周リング４２に亘って設けられている。外周リング４２、内周リング４３、カッタースポーク４５及び、補助カッタースポーク４８の間には、掘削土砂を通過させるための複数の開口部４９が形成されている。
【0033】
図３に示されるように、カッタースポーク４５は、例えば、中空断面構造を有する矩形枠状に形成されており、前面プレート４５Ａと、一対の側面プレート４５Ｂ，４５Ｃと、後面プレート４５Ｄとを含む。なお、カッタースポーク４５は、矩形枠状に限定されず、断面円形状等であってもよい。図１及び図３に示されるように、前面プレート４５Ａの切羽とは反対側の面（後面）には、ＡＥセンサ２０が取り付けられている。なお、図４に示されるように、ＡＥセンサ２０は、隔壁５０のチャンバ５５とは反対側の面（後面）に取り付けることも可能である。
【0034】
［ＡＥセンサ］
ここで、ＡＥとは、アコースティック・エミッション（Acoustic Emission）の略であり、物体にき裂や摩耗等が発生した際に、物体から放射される１次的現象としての弾性波（以下、ＡＥ波という）である。ＡＥセンサ２０は、不図示の圧電素子を備えており、物体から放射されるＡＥ波を受波し、圧電素子によって電圧信号（以下、ＡＥ信号という）として出力する。すなわち、ＡＥセンサ２０は、ＡＥ信号を物体に破壊等が生じる前段階の兆候として検知することができる。このため、ＡＥセンサ２０を用いれば、２次的現象を検知する加速度センサや振動センサ等を用いる場合に比べ、地山に存在する障害物をより早期に検知することが可能になる。
ここで、ＡＥとは、アコースティック・エミッション（Acoustic Emission）の略であり、物体にき裂や摩耗等が発生した際に、物体から放射される１次的現象としての弾性波（以下、ＡＥ波という）である。ＡＥセンサ２０は、不図示の圧電素子を備えており、物体から放射されるＡＥ波を受波し、圧電素子によって電圧信号（以下、ＡＥ信号という）として出力する。すなわち、ＡＥセンサ２０は、ＡＥ信号を物体に破壊等が生じる前段階の兆候として検知することができる。このため、ＡＥセンサ２０を用いれば、２次的現象を検知する加速度センサや振動センサ等を用いる場合に比べ、地山に存在する障害物をより早期に検知することが可能になる。
【0035】
図１に示す例において、ＡＥセンサ２０は、カッタースポーク４５内の径方向外側に位置するように取り付けられている。このように、ＡＥセンサ２０をカッタースポーク４５内のロータリージョイント４１から離れた径方向外側に配置することで、ロータリージョイント４１のベアリング等から発せられる回転音の影響を効果的に低減することが可能になる。また、ＡＥセンサ２０を、シールド掘進機３０の切羽に最も近いカッタースポーク４５内に配置することで、地山から伝播されるＡＥ波を高感度に受波することも可能になる。また、ＡＥセンサ２０をカッタースポーク４５内に配置することで、ＡＥセンサ２０が切羽との接触により破損することも確実に防止することが可能になる。
【0036】
図４に示す変形例において、ＡＥセンサ２０は、隔壁５０の径方向外側に位置するように取り付けられている。このように、ＡＥセンサ２０を隔壁５０の径方向外側に配置することで、駆動モータ３５の駆動音やギヤの噛合音等の影響を効果的に低減することが可能になる。また、ＡＥセンサ２０を、スキンプレート３１内のち、切羽に比較的近い隔壁５０に配置することで、地山から伝播されるＡＥ波を効果的に受波することも可能になる。また、ＡＥセンサ２０を隔壁５０に配置することで、ＡＥセンサ２０が切羽との接触により破損することも確実に防止することが可能になる。また、ＡＥセンサ２０を隔壁５０に配置することで、作業員はＡＥセンサ２０の取り付け作業や交換作業を容易に行うことも可能になる。
【0037】
なお、図４に示す例において、駆動モータ３５は、隔壁５０の半径方向の中間位置に設けられているが、シールド掘進機のタイプによっては、駆動モータ３５が隔壁５０の外周側、或は、中心側に配置される場合もある。駆動モータ３５が、隔壁５０の外周側に配置される場合、ＡＥセンサ２０は、隔壁５０の中心側に取り付ければよい。また、駆動モータ３５が、隔壁５０の中心側に配置される場合、ＡＥセンサ２０は、図４に示す例と同様、隔壁５０の径方向外側に取り付ければよい。
【0038】
ＡＥセンサ２０は、地山に存在する障害物の検知感度を高めるために、所定の周波数帯域に共振ピークを有する共振型ＡＥセンサを用いることが好ましい。例えば、地山に存在する障害物の種類（代表的な金属やコンクリート等）を予め把握できている場合、ＡＥセンサ２０は、当該障害物が放射するＡＥ波の周波数帯域に共振ピークを有する共振型ＡＥセンサを用いることが望ましい。一方、地山に存在する障害物の種類を把握していない状態で掘進を行う場合もある。このような場合、ＡＥセンサ２０は、数十ｋＨｚ～百ｋＨｚの周波数帯域に共振ピークを有する共振型ＡＥセンサを用いてもよく、或は、共振ピークが異なる複数の共振型ＡＥセンサを設置することも可能である。
【0039】
なお、ＡＥセンサ２０は、共振型ＡＥセンサに限定されず、掘削対象の地山の状態や障害物の種別によっては、広帯域で計測が可能ないわゆる広帯域型ＡＥセンサを用いることも可能である。
【0040】
［固定治具］
図５は、ＡＥセンサ２０をカッタースポーク４５の前面プレート４５Ａ又は隔壁５０の後面に取り付けるための固定治具９０を示す模式的な斜視図である。
図５は、ＡＥセンサ２０をカッタースポーク４５の前面プレート４５Ａ又は隔壁５０の後面に取り付けるための固定治具９０を示す模式的な斜視図である。
【0041】
ＡＥセンサ２０は、円筒状のケース２１と、ケース２１の開口を塞ぐ円板状の受波面２２と、ケース２１に設けられたコネクタ２３とを備えている。受波面２２の背面には、ＡＥ波をＡＥ信号に変換するための不図示の圧電素子が設けられている。コネクタ２３には、ケーブルＣ１（図１，図４参照）が接続される。
【0042】
固定治具９０は、互いに略直角に交わる第１板部９１Ａ及び第２板部９１Ｂを有する略Ｌ字状のアングル材９１と、ホルダ９２と、アングル材９１に固定された一対のマグネット９５，９６とを備えている。ホルダ９２は、スプリング９４を介して第１板部９１Ａに取り付けられており、第２板部９１Ｂの面方向に移動可能に設けられている。ホルダ９２は、略直方体状をなしており、ＡＥセンサ２０を受容するための凹部９３を有する。凹部９３の開口幅は、ケース２１の外径よりも大きく形成されている。ＡＥセンサ２０のケース２１は、受波面２２が凹部９３の底部とは反対を向くように、凹部９３に挿入される。
【0043】
ＡＥセンサ２０のケース２１を凹部９３内に挿入すると、一対のマグネット９５，９６は、受波面２２を挟んで離間対向する。各マグネット９５，９６をカッタースポーク４５の前面プレート４５Ａ又は隔壁５０の後面に吸着させると、これらの面に対して、ＡＥセンサ２０は、ホルダ９２を介してスプリング９４の付勢力によって押さえつけられる。この状態において、ＡＥセンサ２０の受波面２２は切羽に向けられる。すなわち、作業員は、固定治具９０の各マグネット９５，９６を磁力によってカッタースポーク４５の前面プレート４５Ａ又は隔壁５０の後面に固定するのみで、ＡＥセンサ２０を所望の設置位置に容易に取り付けられるように構成されている。
【0044】
［情報処理装置］
再び、図１及び、図４を参照し、ＡＥセンサ２０には、ケーブルＣ１を介して増幅器７０が接続されている。図１に示す例において、ケーブルＣ１は、カッタースポーク４５、中心筒部４４及び、ロータリージョイント４１の内部空間に配策される。増幅器７０は、ＡＥセンサ２０から入力されるアナログのＡＥ信号を増幅させるとともに、増幅したアナログ信号をデジタル信号に変換する。なお、ＡＥセンサ２０が増幅器を内蔵している場合、増幅器７０は省略すればよい。増幅器７０は、ケーブルＣ２を介して情報処理装置１００に接続されている。
再び、図１及び、図４を参照し、ＡＥセンサ２０には、ケーブルＣ１を介して増幅器７０が接続されている。図１に示す例において、ケーブルＣ１は、カッタースポーク４５、中心筒部４４及び、ロータリージョイント４１の内部空間に配策される。増幅器７０は、ＡＥセンサ２０から入力されるアナログのＡＥ信号を増幅させるとともに、増幅したアナログ信号をデジタル信号に変換する。なお、ＡＥセンサ２０が増幅器を内蔵している場合、増幅器７０は省略すればよい。増幅器７０は、ケーブルＣ２を介して情報処理装置１００に接続されている。
【0045】
情報処理装置１００は、増幅器７０から入力されるＡＥ信号に基づき、シールド掘進機３０の前方の地山に障害物が存在するかを判定するための装置であり、例えば、コンピュータやサーバ等によって構成される。なお、情報処理装置１００を設置する場所は、図示例のシールド掘進機３０内に限定されず、現場から離れた遠隔の事務所などに設置してもよい。また、情報処理装置１００は、タブレット端末やスマートフォンなどの携帯端末によって構成することも可能である。
【0046】
情報処理装置１００は、各種プログラムや記憶装置等を備えている。情報処理装置１００が備える各種プログラムは、主に、地山に障害物が存在するかを判定する判定処理を実行する。情報処理装置１００の記憶装置には、各種プログラムが処理に用いるデータ等が格納される。
【0047】
［情報処理装置のハードウェア構成］
図６は、本実施形態に係る情報処理装置１００のハードウェア構成の一例を示す模式図である。情報処理装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３を備えている。ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３は、いわゆるマイクロコンピュータを形成する。また、情報処理装置１００は、補助記憶装置１０４、ネットワークＩＦ１０５、操作装置１０７、表示装置１０８を備えている。
図６は、本実施形態に係る情報処理装置１００のハードウェア構成の一例を示す模式図である。情報処理装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３を備えている。ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３は、いわゆるマイクロコンピュータを形成する。また、情報処理装置１００は、補助記憶装置１０４、ネットワークＩＦ１０５、操作装置１０７、表示装置１０８を備えている。
【0048】
ＣＰＵ１０１は、補助記憶装置１０４に格納された各種プログラムを実行する。ＲＯＭ１０２は、不揮発性メモリであって、補助記憶装置１０４に格納された各種プログラムをＣＰＵ１０１が実行するために必要なデータ等を記憶する。ＲＡＭ１０２は、揮発性メモリであって、補助記憶装置１０４に格納された各種プログラムがＣＰＵ１０１によって実行される際に展開される作業領域を提供する。補助記憶装置１０４は、各種プログラムや各種プログラムが実行される際に用いられるデータ等を記憶する補助記憶デバイスである。
【0049】
ネットワークＩＦ１０５は、情報処理装置１００がネットワークを介して他の装置等と互いに通信するための通信デバイスである。操作装置１０７は、現場の作業員等が情報処理装置１００に対して各種指示や設定を行うための入力デバイスである。表示装置１０８は、後述する解析データや障害物判定結果、掘削負荷等の各種表示画面を表示するための表示デバイスである。
【0050】
［情報処理装置のソフトウェア構成］
図７は、本実施形態に係る情報処理装置１００のソフトウェア構成の一例を示す模式図である。
図７は、本実施形態に係る情報処理装置１００のソフトウェア構成の一例を示す模式図である。
【0051】
図７に示すように、情報処理装置１００は、計測データ取得部２００と、計測データ記憶部２１０と、解析処理部２２０と、解析データ記憶部２３０と、障害物判定部２４０と、種別判定部２５０と、機械学習モデル２５５と、掘削負荷演算部２６０と、掘進速度設定部２７０とを備えている。計測データ取得部２００、計測データ記憶部２１０、解析処理部２２０、解析データ記憶部２３０、障害物判定部２４０、種別判定部２５０、掘削負荷演算部２６０は、本開示の障害物接触状態取得部の一例である。
【0052】
計測データ取得部２００は、シールド掘進機３０の掘進中にＡＥセンサ２０から増幅器７０を介して逐次入力されるＡＥ信号を取得し、取得したＡＥ信号を計測データとして計測データ記憶部２１０に記憶する。ここで、計測データには、ＡＥセンサ２０が検出するＡＥ信号に加え、ＡＥセンサ２０がＡＥ信号を検出した時刻である計測時刻、ＡＥ信号を検出した際の掘進速度、トルク等が含まれる。計測データ取得部２００は、ＡＥセンサ２０から取得したＡＥ信号を計測時刻、掘進速度、トルク等と紐付けて計測データ記憶部２１０に記憶する。
【0053】
解析処理部２２０は、計測データ記憶部２１０に記憶された計測データに基づき、ＡＥ信号の特性として最大振幅(ＡＥ波形の中心から最大変位までの振幅値)及び、エネルギー（ＡＥ波形の積分値）を演算する。また、解析処理部２２０は、演算したＡＥ信号の最大振幅及び、エネルギーを計測時刻、掘進速度、トルク等と紐付けて解析データとして解析データ記憶部２３０に記憶する。解析データ記憶部２３０に記憶された解析データは、表示装置１０８に表示することができる。表示装置１０８は、シールド掘進機３０の掘進中、解析データをリアルタイムに表示してもよく、或いは、作業員による操作装置１０７の操作に応じて表示してもよい。
【0054】
図８及び、図９は、シールド掘進機３０の掘進中に取得される計測データに基づいて演算した解析データの一例を説明する模式図である。図８の縦軸はＡＥ信号の最大振幅を示し、図９の縦軸はＡＥ信号のエネルギーを示している。また、図８及び、図９の横軸は経過時間を示している。図８及び、図９において、実線はシールド掘進機３０が地山を掘進している区間の解析データ（以下、「地山区間解析データ」という）であり、破線はシールド掘進機３０が立坑から発進して立坑壁を掘進している区間の解析データ（以下、「立坑壁区間解析データ」という）である。なお、シールド工事によっては、立坑から発進しない場合もあるが、以下では、便宜的にシールド掘進機３０は、立坑から発進する場合を一例に説明する。
【0055】
図８及び、図９に示されるように、立坑壁区間解析データは、地山区間解析データに比べ、最大振幅及びエネルギーが何れも大きい値を示している。すなわち、掘削対象物の強度が高いほど、ＡＥ信号の最大振幅やエネルギーは大きくなることがわかる。本実施形態の障害物接触状態取得システム１０は、このようなＡＥ信号の特性に基づき、掘削対象の地山の状態を取得する。
【0056】
再び図７を参照し、障害物判定部２４０は、シールド掘進機３０の掘進中に逐次取得される現在の計測データから演算した解析データと、解析データ記憶部２３０に記憶した解析データ（好ましくは、直前の解析データ）とに基づき、地山に障害物が存在するか否かを判定する障害物判定を実行する。
【0057】
具体的には、障害物判定部２４０は、現在の解析データのＡＥ信号の最大振幅ＭＡ（以下、現在最大振幅ＭＡｎ）と、直前の解析データのＡＥ信号の最大振幅ＭＡ（以下、直前最大振幅ＭＡｎ-１）とを比較し、現在最大振幅ＭＡｎが直前最大振幅ＭＡｎ-１よりも所定量Ａ１以上大きい第１障害物条件（ＭＡｎ－ＭＡｎ-１≧Ａ１）が成立するかを判定する。また、障害物判定部２５０は、現在の解析データのＡＥ信号のエネルギーＥＮ（以下、現在エネルギーＥＮｎ）と、直前の解析データのＡＥ信号のエネルギーＥＮ（以下、直前エネルギーＥＮｎ-１）とを比較し、現在エネルギーＥＮｎが第２直前エネルギーＥＮｎ-１よりも所定量Ａ２以上大きい第２障害物条件（ＥＮｎ－ＥＮｎ-１≧Ａ２）が成立するかを判定する。ここで、所定量Ａ１，Ａ２は、特に限定されないが、例えば、ＡＥ信号に含まれるノイズ等の影響を除去できる値等を考慮して設定すればよい。
【0058】
障害物判定部２４０は、第１障害物条件又は、第２障害物条件の少なくとも一方の条件が成立する場合、掘削対象の地山に「障害物が存在する」と判定する。一方、障害物判定部２４０は、第１障害物条件及び、第２障害物条件が何れも成立しない場合、掘削対象の地山に「障害物は存在しない」と判定する。障害物判定部２４０は、判定結果を表示装置１０８に逐次表示する。これにより、現場の作業員は、掘削対象の地山に障害物が存在するか否かをリアルタイムに把握することが可能になる。
【0059】
種別判定部２５０は、障害物判定部２４０によって障害物と判定された物体の種別（例えば、金属、コンクリート等）を、機械学習モデル２５５によって判定する種別判定を実行する。機械学習モデル２５５は、物体の種別と、物体が発するＡＥ信号の最大振幅及びエネルギーとを関連付けた教師データに基づいて予め学習済のモデルである。図示例において、機械学習モデル２５５は、情報処理装置１００に設けられているが、ネットワークＩＦ１０５を介して通信可能な外部のサーバ装置等に設けられてもよい。
【0060】
種別判定部２５０は、障害物判定部２４０によって障害物と判定された物体の解析データの最大振幅ＭＡ及びエネルギーＥＮを機械学習モデル２５５に入力し、機械学習モデル２５５から出力される結果を取得することにより、障害物の種別を判定する。また、種別判定部２５０は、判定した障害物の種別を表示装置１０８に表示する。これにより、現場の作業員は、掘削対象の地山に存在する障害物の種別をリアルタイムに把握することが可能になる。
【0061】
掘削負荷演算部２６０は、現在の解析データのＡＥ信号に基づき、シールド掘進機３０が掘削対象の地山（障害物判定部２４０によって障害物と判定された物体が存在する場合は、当該障害物）を掘削する場合の負荷である掘削負荷ＤＬを演算する。掘削負荷ＤＬを演算する手法は、特に限定されず、例えば、現在の解析データの最大振幅ＭＡ、エネルギーＥＮ、掘進速度等を入力値として含むモデル式に基づいて算出することができる。また、掘削負荷ＤＬの演算は、モデル式を用いる手法に限定されず、例えば、図１０に示すような、対象物体から放射されるＡＥ信号の最大振幅ＭＡと掘削負荷ＤＬとの関係を、掘進速度毎に定めた複数のルックアップテーブルＴＢ１＿１、ＴＢ１＿２・・・・ＴＢ１＿ｎを情報処理装置１００の記憶部に格納しておき、当該ルックアップテーブルを用いることより演算することも可能である。具体的には、ルックアップテーブルＴＢ１＿１、ＴＢ１＿２・・・・ＴＢ１＿ｎにおいて、最大振幅ＭＡが大きくなるに従い、掘削負荷ＤＬも増加するように設定されている。掘削負荷演算部２６０は、現在の解析データの最大振幅ＭＡ及び、掘進速度等に基づきルックアップテーブルＴＢ１＿１、ＴＢ１＿２・・・・ＴＢ１＿ｎを参照することにより、掘削対象の地山（障害物を含む）を掘削するのに要求される掘削負荷ＤＬを演算する。
【0062】
なお、ルックアップテーブルＴＢ１＿１、ＴＢ１＿２・・・・ＴＢ１＿ｎは、ＡＥ信号のエネルギーＥＮと、掘削負荷ＤＬとの関係を定めたテーブルを用いることもできる。また、掘削負荷演算部２６０は、は、種別判定部２５０が障害物の種別を判定できた場合、種別の判定結果に基づいて、掘削負荷ＤＬを演算してもよい。
【0063】
掘進速度設定部２７０は、シールド掘進機３０が掘削対象の地山（障害物を含む）を掘削するのに最適な掘進速度を設定する。具体的には、情報処理装置１００の記憶部には、図１１に示すような、掘削対象物から放射されるＡＥ信号の最大振幅ＭＡと、最適な掘進速度Ｖとの関係を定めたルックアップテーブルＴＢ２が格納されている。ルックアップテーブルＴＢ２において、最大振幅ＭＡが大きくなるに従い、掘進速度Ｖは減速するように設定されている。
【0064】
掘進速度設定部２７０は、まず、掘削負荷演算部２６０により演算される掘削負荷ＤＬが所定の閾値負荷ＤＬＶよりも大きいか否かを判定する。ここで、閾値負荷ＤＬＶは、例えば、シールド掘進機３０が現在の掘進速度を維持しても掘削対象を確実に掘削できる負荷を基準に設定すればよい。掘進速度設定部２７０は、掘削負荷ＤＬが閾値負荷ＤＬＶ以下の場合、掘削負荷に異常なしと判定する。この場合、掘進速度設定部２７０の設定を行わない。すなわち、現在の掘進速度が維持される。
【0065】
一方、掘進速度設定部２７０は、掘削負荷ＤＬが閾値負荷ＤＬＶよりも大きい場合、掘削負荷を大きいと判定、言い換えれば、現在の掘進速度では掘削不可と判定する。この場合、掘進速度設定部２７０は、現在の解析データの最大振幅ＭＡに基づき、ルックアップテーブルＴＢ２を参照することにより、最適な掘進速度Ｖを決定する。すなわち、掘削対象物の強度が高くなるほど掘進速度Ｖが減速され、掘削トルクも減少するように設定される。これにより、カッタービット４７の破損を効果的に防止することが可能となる。カッタービット４７の破損が防止されることで、シールド掘進機３０が掘進不能になることを未然に防止でき、工期の遅延も確実に防止することが可能になる。
【0066】
なお、ルックアップテーブルＴＢ２は、ＡＥ信号のエネルギーＥＮと、最適な掘進速度Ｖとの関係を定めたテーブルを用いることもできる。また、掘進速度設定部２７０は、種別判定部２５０が障害物の種別を判定できた場合、種別の判定結果に基づいて、最適な掘進速度Ｖを決定してもよい。
【0067】
次に、図１２に示すフローチャートに基づいて、情報処理装置１００のＣＰＵ１０１が実行する障害物接触状態取得の処理のルーチンを説明する。本ルーチンは、例えば、シールド掘進機３０が立坑から発進すると開始される。なお、シールド工事によっては、立坑から発進しない場合もある。このような場合、本ルーチンは後述するステップＳ１２０から処理を開始すればよい。また、本ルーチンは、地山に支障物が存在することを事前調査等で予め把握しており、シールド掘進機３０に当該障害物を切削可能なカッタービット４７が装備されている場合を一例に説明する。
【0068】
ステップＳ１００では、情報処理装置１００は、シールド掘進機３０が立坑壁を掘進中にＡＥセンサ２０から送信されるＡＥ信号に基づき、計測データを取得する。次いで、ステップＳ１０５では、情報処理装置１００は、ステップＳ１００で取得した計測データに基づき、立坑壁区間解析データを演算し、記憶する。
【0069】
ステップＳ１１０では、情報処理装置１００は、シールド掘進機３０が立坑壁を貫通したか否かを判定する。シールド掘進機３０が立坑壁を貫通したかは、シールド掘進機３０が発進を開始してからの掘進距離に基づいて判定してもよく、或いは、ＡＥ信号の最大振幅ＭＡ及び、又はエネルギーＥＮが立坑壁掘削時よりも減少したかに基づいて判定してもよい。シールド掘進機３０が立坑壁を貫通した場合（Ｙｅｓ）、情報処理装置１００は、ステップＳ１２０の処理に進む。一方、シールド掘進機３０が立坑壁を貫通していない場合（Ｎｏ）、情報処理装置１００は、ステップＳ１００の処理に戻る。
【0070】
ステップＳ１２０では、情報処理装置１００は、シールド掘進機３０が掘削対象の地山（障害物を含む）を掘進中にＡＥセンサ２０から送信されるＡＥ信号に基づき、計測データを取得する。次いで、ステップＳ１２５では、情報処理装置１００は、ステップＳ１２０で取得した計測データに基づき、解析データを演算する。
【0071】
ステップＳ１３０では、情報処理装置１００は、ステップＳ１２５で演算した解析データを直前の解析データとして記憶する。
【0072】
ステップＳ１４０では、情報処理装置１００は、シールド掘進機３０が掘削対象の地山（障害物を含む）を掘進中にＡＥセンサ２０から送信されるＡＥ信号に基づき、現在の計測データを取得する。次いで、ステップＳ１４５では、情報処理装置１００は、ステップＳ１４０で取得した計測データに基づき、現在の解析データを演算する。
【0073】
ステップＳ１５０では、情報処理装置１００は、ステップＳ１４５で演算した現在の解析データと、ステップＳ１３０で記憶した直前の解析データとを比較する障害物判定を実行する。具体的には、現在最大振幅ＭＡｎが直前最大振幅ＭＡｎ-１よりも所定量Ａ１以上大きい第１障害物条件又は、現在エネルギーＥＮｎが直前エネルギーＥＮｎ-１よりも所定量Ａ２以上大きい第２障害物条件の少なくとも一方が成立するか否かを判定する。
【0074】
第１障害物条件又は、第２障害物条件の少なくとも一方の条件が成立する場合（Ｙｅｓ）、情報処理装置１００は、ステップＳ１６０の処理に進み、掘削対象の地山に障害物が存在すると判定する。一方、第１障害物条件及び、第２障害物条件が何れも成立しない場合（Ｎｏ）、情報処理装置１００は、ステップＳ１５５の処理に進み、掘削対象の地山に障害物は存在しないと判定し、ステップＳ１２０の処理に戻る。
【0075】
情報処理装置１００は、ステップＳ１６０の処理にて、掘削対象の地山に障害物が存在すると判定すると、ステップＳ１６２の処理に進む。ステップＳ１６２では、情報処理装置１００は、ステップＳ１４０で取得した現在の解析データの最大振幅ＭＡ及びエネルギーＥＮに基づき、障害物の種別を判定する種別判定を実行し、ステップＳ１６６の処理に進む。
【0076】
ステップＳ１６６では、情報処理装置１００は、ステップＳ１４０で取得した現在の解析データに基づき、掘削対象の地山（障害物を含む）を掘削する場合の負荷である掘削負荷ＤＬを演算する。
【0077】
ステップＳ１７０では、情報処理装置１００は、ステップＳ１６６で演算した掘削負荷ＤＬと所定の閾値負荷ＤＬＶとを比較する。具体的には、対象物体の掘削負荷ＤＬが所定の閾値負荷ＤＬＶよりも大きい場合（Ｙｅｓ）、情報処理装置１００は、ステップＳ１７５処理に進み、掘削負荷を大きいと判定する。一方、対象物体の掘削負荷ＤＬが所定の閾値負荷ＤＬＶ以下の場合（Ｎｏ）、情報処理装置１００は、ステップＳ１８０の処理に進み、掘削負荷に異常なしと判定し、ステップＳ１２０の処理に戻る。
【0078】
ステップＳ１７５の処理にて掘削負荷を大きいと判定すると、情報処理装置１００は、ステップＳ１７６の処理に進み、シールド掘進機３０が障害物を掘削するのに最適な掘進速度Ｖを設定する掘進速度設定処理を実行し、ステップＳ１２０の処理に戻る。以降、シールドトンネルＴの工事が完了するまでの間、情報処理装置１００は、ステップＳ１４０以降の各処理を繰り返し実行する。
【0079】
以上詳述した本実施形態によれば、ＡＥセンサ２０は、カッタースポーク４５の前面プレート４５Ａの後面、又は、隔壁５０の後面に設置される。すなわち、ＡＥセンサ２０を、切羽と接触させることなく、且つ、ＡＥ波を効果的に受波できる位置に設置するように構成されている。これにより、ＡＥセンサ２０が障害物等との接触により破損することを確実に防止することが可能になる。また、障害物の検知にＡＥセンサ２０を用いることで、２次的現象を検知する加速度センサや振動センサ等を用いる場合に比べ、地山に存在する障害物をより早期に検知することも可能になる。
【0080】
また、本実施形態によれば、情報処理装置１００は、ＡＥセンサ２０によって取得されるＡＥ信号の最大振幅ＭＡやエネルギーＥＮに基づいて、シールド掘進機３０が掘削対象の地山（障害物を含む）を掘削する際の掘削負荷ＤＬを演算するとともに、掘削負荷ＤＬに応じた最適な掘進速度Ｖを設定する。すなわち、障害物等の掘削に適した掘進速度Ｖを掘進管理に反映できるように構成されている。これにより、障害物の掘削によってカッタービット４７が破損することを確実に抑止できるようになり、シールド掘進機３０の掘進不能による工期の遅延も効果的に防止することが可能になる。
【0081】
ここで、加速度センサを用いる従来技術としては、例えば、特開平９－２０９６８８号公報に、シールド掘進機の隔壁に音波センサとしての加速度センサを取り付け、音（聴覚）と波形信号とに基づき地盤状況を監視する技術が提案されている（以下、従来例１）。また、特開２０１９－０２７１２１号公報に、カッタービットに振動加速度センサを設置し、加速度波形に基づいて切羽面の地盤の土質を判定する技術が提案されている（以下、従来例２）。
【0082】
従来例１の場合、作業員が掘削音に常時注意を払わなければならず、労力が掛かることに加え、人の聴覚による個人差が判定結果に影響するといった課題がある。また、従来例２の場合、障害物が振動加速度センサを設置したカッタービットに接触しなければ加速度波形を検知することができず、さらには、振動加速度センサを設置したカッタービットが破損した場合には、加速度波形の検知ができなくなるといった課題がある。
【0083】
これに対し、本実施形態の障害物接触状態取得システム１０によれば、可聴域よりも高い高周波領域のＡＥ波を検知するＡＥセンサ２０を用いて障害物を検知するため、従来例１のような作業員が掘削音に注意を払う必要はなく、作業員の労力を確実に低減することができる。また、ＡＥセンサ２０は、カッタースポーク４５の内部や隔壁５０の後面といった切羽と接触しない部分に設けられるため、従来例２のような破損による検知不能も効果的に防止することが可能になる。
【0084】
［変形例］
例えば、図１２に示すフローチャートでは、地山に支障物が存在することを事前調査等で予め把握している場合を一例に説明したが、掘削対象の地山に想定外の障害物が存在する場合もある。このような場合、図１３に示すように、情報処理装置１００は、掘削負荷演算部２６０が演算する掘削負荷ＤＬに基づき、障害物が切削可能であるか否かを判定する掘削可否判定部２８０をさらに備えてもよい。
例えば、図１２に示すフローチャートでは、地山に支障物が存在することを事前調査等で予め把握している場合を一例に説明したが、掘削対象の地山に想定外の障害物が存在する場合もある。このような場合、図１３に示すように、情報処理装置１００は、掘削負荷演算部２６０が演算する掘削負荷ＤＬに基づき、障害物が切削可能であるか否かを判定する掘削可否判定部２８０をさらに備えてもよい。
【0085】
図１４は、情報処理装置１００が掘削可否判定部２８０を備える場合の障害物接触状態取得の処理のルーチンを説明する変形例のフローチャートである。なお、図１４に示すステップＳ１００～Ｓ１８０の各処理は、図１２に示す処理と同様のため、説明は省略する。
【0086】
情報処理装置１００は、ステップＳ１７５の処理にて掘削負荷を大きいと判定すると、ステップＳ２００の処理に進み、ステップＳ１６６で演算した掘削負荷ＤＬが所定の上限負荷ＤＬｍを超えているか否かを判定する。掘削負荷ＤＬが上限負荷ＤＬｍを超えていない場合（Ｎｏ）、情報処理装置１００は、ステップＳ１７６の処理に進み、掘削速度設定処理を実行する。一方、掘削負荷ＤＬが上限負荷ＤＬｍを超えている場合（Ｙｅｓ）、情報処理装置１００は、ステップＳ２１０の処理に進み障害物を切削不可能と判定する。
【0087】
ステップＳ２２０では、情報処理装置１００は、処理を中断し、次いで、ステップＳ２３０では、情報処理装置１００は、再開要求を受け付けたか否かを判定する。再開要求は、例えば、障害物に対して何らかの対策が施された後に、作業員が操作装置１０７を操作することにより入力すればよい。再開要求を受け付けた場合（Ｙｅｓ）、情報処理装置１００は、ステップＳ１２０の処理に戻る。一方、再開要求を受け付けていない場合（Ｎｏ）、情報処理装置１００は、ステップＳ２２０の処理に戻り、処理の中断を継続する。
【0088】
変形例によれば、掘削負荷ＤＬに基づいて障害物が切削可能であるか否かを判定し、切削不可能と判定した場合には、障害物に対して何らかの対策が施されるまでは処理を中断するように構成されている。これにより、シールド掘進機３０が想定外の障害物と遭遇した場合においても、カッタービット４７等の破損を事前に防止することが可能になる。
【0089】
［その他］
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【0090】
例えば、上記実施形態において、ＡＥセンサ２０は、図３に示されるように、カッタースポーク４５の前面プレート４５Ａの後面に設置するものとして説明したが、ＡＥセンサ２０の受波面２２を切羽側に向けた状態で取り付けることができれば、カッタースポーク４５の内部の他の部分に設置することも可能である。
【0091】
また、上記実施形態の変形例として、ＡＥセンサ２０は、図４に示されるように、隔壁５０の後面に設置するものとして説明したが、切羽に接触せず、且つ、地山から伝播されるＡＥ波を受波可能な位置であれば、隔壁５０以外の部分に設置することも可能である。
【0092】
また、上記実施形態において、情報処理装置１００は、障害物判定等の各処理を、ＡＥ信号の最大振幅ＭＡ及び、エネルギーＥＮに基づいて実行するものとして説明したが、最大振幅ＭＡ又はエネルギーＥＮの何れか一方のみに基づいて実行することも可能である。また、最大振幅ＭＡやエネルギーＥＮのみならず、ＡＥ信号から得られるＲＭＳ（実効値）を用いることも可能である。
【符号の説明】
【0093】
１０…障害物接触状態取得システム，２０…ＡＥセンサ，２１…ケース，２２…受波面，２３…コネクタ，３０…シールド掘進機，３１…スキンプレート，３２…回転リング，３３…連結ビーム，３５…駆動モータ，４０…カッターヘッド，４１…ロータリージョイント，４２…外周リング，４３…内周リング，４４…中心筒部，４５…カッタースポーク，４５Ａ…前面プレート，４６…センターカッタ，４７…カッタービット，４８…補助カッタースポーク，４９…開口部，５０…隔壁，５５…チャンバ，６０…スクリューコンベア，６４…ジャッキ，６８…エレクタ，６９…テールシール，７０…増幅器，９０…固定治具，９１…アングル材，９２…ホルダ，９３…凹部，９５，９６…マグネット，１００…情報処理装置，１０１…ＣＰＵ，１０２…ＲＯＭ，１０３…ＲＡＭ，１０４…補助記憶装置，１０５…ネットワークＩＦ，１０７…操作装置，１０８…表示装置，２００…計測データ取得部，２１０…計測データ記憶部，２２０…解析処理部，２３０…解析データ記憶部，２４０…障害物判定部，２５０…種別判定部，２５５…機械学習モデル，２６０…掘削負荷演算部，２７０…掘進速度設定部，２８０…掘削可否判定部，Ｓ…セグメント，ＢＭ…裏込材，Ｃ１，Ｃ２…ケーブル
【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13】
【図14】