特許 7490588 シールドマシン用地中レーダ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-17

(45)【発行日】2024-05-27

(54)【発明の名称】シールドマシン用地中レーダ

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/88 20060101AFI20240520BHJP

   G01S 7/02 20060101ALI20240520BHJP

   G01V 3/12 20060101ALI20240520BHJP

   E21D 9/093 20060101ALI20240520BHJP

   H01Q 21/24 20060101ALI20240520BHJP

【ＦＩ】

G01S13/88 200

G01S7/02 210

G01V3/12 B

E21D9/093 F

H01Q21/24

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021014901

(22)【出願日】2021-02-02

(65)【公開番号】P2022118406

(43)【公開日】2022-08-15

【審査請求日】2023-02-09

(73)【特許権者】

【識別番号】501254955

【氏名又は名称】川崎地質株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108947

【弁理士】

【氏名又は名称】涌井 謙一

(74)【代理人】

【識別番号】100117086

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 典弘

(74)【代理人】

【識別番号】100124383

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 一永

(74)【代理人】

【識別番号】100173392

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 貴宏

(74)【代理人】

【識別番号】100189290

【弁理士】

【氏名又は名称】三井 直人

(72)【発明者】

【氏名】山田 茂治

(72)【発明者】

【氏名】吉田 潔

(72)【発明者】

【氏名】野津 俊光

(72)【発明者】

【氏名】石川 康宏

【審査官】藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－０１０２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０９４７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０６１９９５９７（ＣＮ，Ａ）

【文献】谷口 徹ら，「電磁波による切羽前方探知方法の開発（その２）」，戸田建設技術研究報告，Vol.16，1990年03月20日，pp.111-120

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／００－ ７／４２

Ｇ０１Ｓ １３／００－１３／９５

Ｇ０１Ｖ ３／１２

Ｅ２１Ｄ ９／０９３

Ｈ０１Ｑ ２１／２４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている回転カッターのアームに地中レーダのアンテナが配備されているシールドマシン用地中レーダであって、
複数本の前記アームの中の少なくとも１本に、前記アームが伸びる方向に複数個の前記アンテナが配備されていて、
複数個の前記アンテナの中に、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向と平行である第一のアンテナと、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向に直交する第二のアンテナと
が含まれている
シールドマシン用地中レーダ。

【請求項2】

前記第一のアンテナと、前記第二のアンテナとが前記アームが伸びる方向で交互に前記アームに配置されている請求項１記載のシールドマシン用地中レーダ。

【請求項3】

前記アームが伸びる方向で交互に前記アームに配置されている前記第一のアンテナと前記第二のアンテナとの組み合わせが少なくとも二組存在している請求項２記載のシールドマシン用地中レーダ。

【請求項4】

シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている回転カッターのアームに地中レーダのアンテナが配備されているシールドマシン用地中レーダであって、
複数本の前記アームの中の少なくとも１本に、前記アームが伸びる方向に複数個の前記アンテナが配備されていて、
複数個の前記アンテナの中に、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向に対して斜交する第三のアンテナと、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向に斜交する第四のアンテナであって前記第三のアンテナとは異なる角度で前記アームが伸びる方向に斜交する、あるいは前記第三のアンテナとは異なる方向から前記アームが伸びる方向に斜交する第四のアンテナと
が含まれている
シールドマシン用地中レーダ。

【請求項5】

前記第三のアンテナと、前記第四のアンテナとが前記アームが伸びる方向で交互に前記アームに配置されている請求項４記載のシールドマシン用地中レーダ。

【請求項6】

前記アームが伸びる方向で交互に前記アームに配置されている前記第三のアンテナと前記第四のアンテナとの組み合わせが少なくとも二組存在している請求項５記載のシールドマシン用地中レーダ。

【請求項7】

シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている回転カッターのアームに地中レーダのアンテナが配備されているシールドマシン用地中レーダであって、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向と平行である第一のアンテナが一の前記アームに前記アームが伸びる方向で複数個配置され、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向に直交する第二のアンテナが他の前記アームに前記アームが伸びる方向で複数個配置されていて、
一の前記アームに配置されている複数個の前記第一のアンテナが前記アームに配置されている半径方向位置と、
他の前記アームに配置されている複数個の前記第二のアンテナが前記アームに配置されている半径方向位置と
が互い違いになるように異なるようになっていることで、前記シールドマシンの前記回転カッターの前記アームが回転したときに複数個の前記第一のアンテナの回転軌跡と、複数個の前記第二のアンテナの回転軌跡とが一致しない
シールドマシン用複合配列地中レーダ。

【請求項8】

シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている回転カッターのアームに地中レーダのアンテナが配備されているシールドマシン用地中レーダであって、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向と平行である第一のアンテナが１本の前記アームに前記アームが伸びる方向で複数個配置されている形態の２本の第一アンテナ配備アームと、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向に直交する第二のアンテナが１本の前記アームに前記アームが伸びる方向で複数個配置され形態の２本の第二アンテナ配備アームと
を備えていて、
前記回転カッターが前記回転中心軸を中心として回転するときに、
２本の前記第一アンテナ配備アームにそれぞれ配備されている複数個の前記第一のアンテナの回転軌跡が一致せず、
２本の前記第二アンテナ配備アームにそれぞれ配備されている複数個の前記第二のアンテナの回転軌跡が一致しない
配置構造になっているシールドマシン用複合配列地中レーダ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、地中レーダ装置に関し、特に、アンテナをシールドマシンの前面に配置して前記シールドマシン前方の前面近傍を障害物探査するシールドマシン用地中レーダに関する。

【背景技術】

【0002】

地中探査に用いられる地中レーダシステムについては従来から種々提案されている。本願出願人も検出物標の分解能を維持しつつ探査深度の増大を図ることができるチャープ式マルチ地中レーダシステムを提案している（特許文献１）。

【0003】

本願出願人が提案した特許文献１のチャープ式マルチ地中レーダシステムは、長い時間送信信号を送信することから高出力が得られ、探査深度の増加を可能にするチャープ波を用い、パルス波が長いパルス波であることから、分解能を向上させるため受信回路においてインパルスに変換する機構（パルス圧縮回路）を採用し、チャープ信号を圧縮することで高分解能で探査深度の深い地中レーダシステムを実現し、従来のパルス式地中レーダと同等以上の狭いインパルスを得て、検出物標、例えば、埋設物や、比誘電率又は導電率の異なる境界面などの分解能を維持し、従来のパルス式地中レーダに比較してパルス幅を広くした分に相当する探査深度の増大を得ることを可能にしたものである。

【0004】

シールドマシン用地中レーダとしては、シールドマシンのカッターフェース面に電磁レーダのアンテナを配置し、トンネル掘削した切羽面の前方の地中にレーダ信号（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、波形処理を行うことでトンネル切羽前方の地質探査を行う提案がされている（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１８－１００９４４号公報

【文献】特開平１０－２１８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

シールドマシンでは、回転カッターのアームがシールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている。図１にその一例の概要を示しているが、図１では、シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に８本のアーム１、２、３、３、４、５、６、７、８が伸びている。

【0007】

そして、シールドマシン用地中レーダ装置では、前記アームに進行方向前方の前面にある障害物探査のため地中レーダ装置のアンテナが配備されるのが一般的である。

【0008】

図２は、シールドマシンの回転中心軸から放射状に延びている回転カッターの複数本のアーム１～８の中の１本に地中レーダ装置のアンテナ２００が１セットだけ取り付けられている状態を説明する一部を省略した正面図である。

【0009】

地中レーダ装置のアンテナ２００には広帯域のダイポールアンテナが使用される。ダイポールアンテナには偏波面が存在する。そこで、障害物が細長いもの（例えば、Ｈ鋼のような、鉄製の杭）であって、当該細長いものが伸びている方向と、アンテナ２００の軸方向とが平行であると、当該細長いものの探査では反射波が検出されやすくなる。

【0010】

図３を用いてこれを説明すると、アンテナエレメント１０１、１０２の軸１０１ａ、１０２ａの方向と細長い障害物（Ｈ鋼）１００が伸びる方向とが平行の位置関係で、図中のθ_ｏ＝０°になる図３（ａ）、（ｂ）図示の場合には反射波のレベルが大きく得られ、反射波が検出されやすくなる。

【0011】

一方、アンテナエレメント１０１、１０２の軸１０１ａ、１０２ａの方向と細長い障害物（Ｈ鋼）１００が伸びる方向とが直交する位置関係で、図中のθ_ｏ＝９０°になる図３（ｃ）、（ｄ）図示の場合には反射波のレベルがほとんど得られなくなり、反射波を検出しづらくなる。

【0012】

また、図３（ｅ）図示のようにアンテナエレメント１０１、１０２の軸１０１ａ、１０２ａの方向と細長い障害物（Ｈ鋼）１００が伸びる方向とが斜めになるときには反射波のレベルが弱くなる。例えば、図３（ｅ）図示のように図中のθ_ｏ＝４５°の角度関係で斜めになっていると、検出レベルは、図３（ａ）、（ｂ）図示のようにアンテナエレメント１０１、１０２の軸１０１ａ、１０２ａの方向と細長い障害物（Ｈ鋼）１００が伸びる方向とが平行の位置関係であるときの検出レベルの１／２の検出レベルになる。

【0013】

シールドマシンの回転カッターは回転中心軸を中心として周方向に回転しながら前方方向に進行することから前述したように回転カッターのアームに取り付けられたアンテナも同時に回転中心軸を中心として周方向に回転する。

【0014】

このため、一般的に地面に鉛直に埋設されている細長い障害物（例えば、Ｈ鋼のような、鉄製の杭）が伸びる方向と、アンテナの軸方向とは、当該細長い障害物の位置によってその角度関係が平行になったり、斜めになったり、直交関係になったりする。上述したように、この角度関係が平行の時、反射波が大きく、斜めの関係の時は反射波が弱くなり、直交するときは反射波のレベルがほとんど得られなくなり、反射波を検出しづらくなる。

【0015】

そこで、図２図示のように、回転カッターのアーム１に地中レーダ装置のアンテナ２００が１セットだけ取り付けられているシールドマシン用地中レーダ装置では、シールドマシン進行方向前方の前面に存在している障害物（図４では直線状に伸びるＨ鋼）が伸びている方向との関係で、障害物を検出可能であったり、検出レベルが低下してしまったり、障害物を検出しづらい状態になることがある。

【0016】

例えば、図２でシールドマシン回転カッターのアーム１に配備されているアンテナ２００は、周方向への回転角度が０°、９０°、１８０°、２７０°になるように周方向に回転していくにつれて、図４に符号２０１で示している領域で回転中心軸を中心として周方向に回転する。

【0017】

そこで、Ｈ鋼１００ｂについては符号１１２で示している箇所でアンテナ２００がＨ鋼１００ｂと対向し、ここでは、Ｈ鋼１００ｂが伸びる方向とアンテナの軸方向とが平行になるので検出可能になる。

【0018】

Ｈ鋼１００ｄについては符号１１５で示している箇所でアンテナ２００がＨ鋼１００ｄに向き合うことになるが、ここでも、Ｈ鋼１００ｂが伸びる方向とアンテナの軸方向とが平行になるので検出可能になる。

【0019】

Ｈ鋼１００ｄについては符号１１５で示している箇所でアンテナ２００がＨ鋼１００ｄに向き合うことになるが、ここでも、Ｈ鋼１００ｂが伸びる方向とアンテナの軸方向とが平行になるので検出可能になる
Ｈ鋼１００ａについては符号１１０で示している箇所でアンテナ２００がＨ鋼１００ａに向き合うことになるが、ここでは、Ｈ鋼１００ａが伸びる方向とアンテナの軸方向とが直交する位置関係になる。このため、符号１１０で示している箇所ではＨ鋼１００ａからの反射波のレベルがほとんど得られなくなり、反射波を検出しづらくなる。

【0020】

なお、Ｈ鋼１００ａについては、引き続き、符号１１１で示している箇所までアンテナ２００がＨ鋼１００ａに向き合うことになるが、斜め関係で向き合うことになるので、検出レベルが低い状態での検出可能ということになる。

【0021】

Ｈ鋼１００ｃについては符号１１３、１１４で示している箇所でアンテナ２００がＨ鋼１００ｃに向き合うことになるが、斜め関係で向き合うので、符号１１３、１１４で示しているいずれの箇所でも検出レベルが低い状態での検出可能ということになる。

【0022】

そこで、本発明は、シールドマシンの回転カッターのアームが回転中心軸を中心にして周方向に回転することに応じて当該アームに取り付けられている地中レーダ装置のアンテナが同じく回転カッターの回転中心軸を中心にして周方向に回転することになっても、シールドマシン進行方向前方の前面で種々の方向に伸びて存在している障害物（例えば、Ｈ鋼）をより確実に検出できるシールドマシン用地中レーダを提案することを目的にしている。

【課題を解決するための手段】

【0023】

[１]
シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている回転カッターのアームに地中レーダのアンテナが配備されているシールドマシン用地中レーダであって、
複数本の前記アームの中の少なくとも１本に、前記アームが伸びる方向に複数個の前記アンテナが配備されている
シールドマシン用地中レーダ。

【0024】

[２]
複数個の前記アンテナの中に、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向と平行である第一のアンテナと、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向に直交する第二のアンテナと
が含まれている[１]のシールドマシン用地中レーダ。

【0025】

[３]
前記第一のアンテナと、前記第二のアンテナとが前記アームが伸びる方向で交互に前記アームに配置されている[２]のシールドマシン用地中レーダ。

【0026】

[４]
前記アームが伸びる方向で交互に前記アームに配置されている前記第一のアンテナと前記第二のアンテナとの組み合わせが少なくとも二組存在している[３]のシールドマシン用地中レーダ。

【0027】

[５]
複数個の前記アンテナの中に、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向に対して斜交する第三のアンテナと、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向に斜交する第四のアンテナであって前記第三のアンテナとは異なる角度で前記アームが伸びる方向に斜交する、あるいは前記第三のアンテナとは異なる方向から前記アームが伸びる方向に斜交する第四のアンテナと
が含まれている[１]のシールドマシン用地中レーダ。

【0028】

[６]
前記第三のアンテナと、前記第四のアンテナとが前記アームが伸びる方向で交互に前記アームに配置されている[５]のシールドマシン用地中レーダ。

【0029】

[７]
前記アームが伸びる方向で交互に前記アームに配置されている前記第三のアンテナと前記第四のアンテナとの組み合わせが少なくとも二組存在している[６]のシールドマシン用地中レーダ。

【0030】

[８]
シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている回転カッターのアームに地中レーダのアンテナが配備されているシールドマシン用地中レーダであって、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向と平行である第一のアンテナが一の前記アームに前記アームが伸びる方向で複数個配置され、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向に直交する第二のアンテナが他の前記アームに前記アームが伸びる方向で複数個配置され
ているシールドマシン用複合配列地中レーダ。

【0031】

[９]
一の前記アームに配置されている複数個の前記第一のアンテナが前記アームに配置されている半径方向位置と、
他の前記アームに配置されている複数個の前記第二のアンテナが前記アームに配置されている半径方向位置と
が同一である[８]のシールドマシン用複合配列地中レーダ。

【0032】

[１０]
一の前記アームに配置されている複数個の前記第一のアンテナが前記アームに配置されている半径方向位置と、
他の前記アームに配置されている複数個の前記第二のアンテナが前記アームに配置されている半径方向位置と
が互い違いになるように異なるようになっていることで、前記シールドマシンの前記回転カッターの前記アームが回転したときに複数個の前記第一のアンテナの回転軌跡と、複数個の前記第二のアンテナの回転軌跡とが一致しない[８]のシールドマシン用複合配列地中レーダ。

【0033】

[１１]
シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている回転カッターのアームに地中レーダのアンテナが配備されているシールドマシン用地中レーダであって、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向と平行である第一のアンテナが１本の前記アームに前記アームが伸びる方向で複数個配置されている形態の２本の第一アンテナ配備アームと、
前記アンテナの軸の向きが前記アームが伸びる方向に直交する第二のアンテナが１本の前記アームに前記アームが伸びる方向で複数個配置され形態の２本の第二アンテナ配備アームと
を備えていて、
前記回転カッターが前記回転中心軸を中心として回転するときに、
２本の前記第一アンテナ配備アームにそれぞれ配備されている複数個の前記第一のアンテナの回転軌跡が一致せず、
２本の前記第二アンテナ配備アームにそれぞれ配備されている複数個の前記第二のアンテナの回転軌跡が一致しない
配置構造になっているシールドマシン用複合配列地中レーダ。

【発明の効果】

【0034】

本発明によれば、シールドマシンの回転カッターのアームが回転中心軸を中心にして周方向に回転することに応じて当該アームに取り付けられている地中レーダ装置のアンテナが同じく回転カッターの回転中心軸を中心にして周方向に回転することになっても、シールドマシン進行方向前方の前面で種々の方向に伸びて存在している障害物（例えば、Ｈ鋼）をより確実に検出できるシールドマシン用地中レーダを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】シールドマシン前面の構造の一例を表す一部を省略した正面図。

【図2】図１図示の構造のシールドマシンで回転中心軸から放射状に延びている回転カッターの複数本のアームの中の１本に地中レーダ装置のアンテナが１セットだけ取り付けられている状態を説明する一部を省略した正面図。

【図3】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、シールドマシンの進行方向前方の前面に存在している細長い障害物（Ｈ鋼）が伸びる方向と、シールドマシンのアームに配備されている１個のアンテナの軸の方向とに応じて障害物（Ｈ鋼）の検出に差が生じることを説明する図。

【図4】回転カッターの複数本のアームの中の１本に地中レーダ装置のアンテナが１セットだけ取り付けられている図２図示の形態のシールドマシン用地中レーダでシールドマシン進行方向前方の前面に存在している細長い障害物（Ｈ鋼）を検出する際に、細長い障害物（Ｈ鋼）が存在している位置、その伸びる方向に応じて検出に差が生じることを説明する図。

【図5】本発明の一実施形態に係るアンテナの配置形態を説明する一部を省略した正面図。

【図6】図５図示の実施形態に採用されているアンテナのアンテナエレメントの一例を説明する図。

【図7】図５において複数個のアンテナが配備されているアーム部を説明する一部を省略した正面図。

【図8】本発明の他の実施形態に係るアンテナの配置形態を説明する一部を省略した正面図。

【図9】本発明の他の実施形態に係るアンテナの配置形態を説明する一部を省略した正面図。

【図10】図５、図７図示の実施形態とは異なる配置形式で複数個のアンテナがアーム部に配備される例を説明する一部を省略した正面図。

【図11】図５、図７図示の実施形態とは異なる配置形式で複数個のアンテナがアーム部に配備される他の例を説明する一部を省略した正面図。

【図12】図５、図７図示の実施形態とは異なる配置形式で複数個のアンテナがアーム部に配備される他の例を説明する一部を省略した正面図。

【図13】図５、図７図示の実施形態とは異なる配置形式で複数個のアンテナがアーム部に配備される他の例を説明する一部を省略した正面図。

【図14】図５、図７図示の実施形態で複数個のアンテナがアーム部に配置されているシールドマシンの進行方向前方の前面に存在している細長い障害物（Ｈ鋼）が存在している位置と、それが伸びている方向の検出状態を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0036】

シールドマシンの回転カッターのアームが回転中心軸を中心にして周方向に回転することに応じて当該アームに取り付けられている地中レーダ装置のアンテナが回転カッターの回転中心軸を中心にして周方向に回転することになる場合、図３（ａ）～（ｅ）を用いて説明したように、シールドマシンの進行方向前方の前面に存在している細長い障害物（Ｈ鋼）が伸びる方向と、シールドマシンのアームに配備されているアンテナの軸の方向との位置関係に応じて障害物（Ｈ鋼）の検出レベルに差が生じる。

【0037】

本願の発明者は、この現象に着眼し、シールドマシンの回転カッターのアームが伸びる方向で当該アームに複数個のアンテナを配置することで、種々の位置関係でシールドマシンの進行方向前方の前面に存在している細長い障害物（例えば、Ｈ鋼のような、鉄製の杭）を効果的に検出できるようにしたものである。

【0038】

シールドマシンの回転カッターのアームが回転したときに障害物として予想しているＨ鋼とアームに配備されているアンテナとの位置関係がどのように変化しても、アームが伸びる方向で当該アームに複数個配置されているアンテナの中のいずれかのアンテナで効率的にＨ鋼の反射波を検出できるようにしたものである。種々の位置関係でシールドマシンの進行方向前方の前面に存在している細長い障害物（例えば、Ｈ鋼のような、鉄製の杭）を、アームが伸びる方向で当該アームに複数個配備されているアンテナの中のいずれかで検出することが可能になる。

【0039】

このように、この実施形態のシールドマシン用地中レーダは、シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている回転カッターのアームに地中レーダのアンテナが配備されている形態のものであって、複数本のアームの中の少なくとも１本に、アームが伸びる方向で複数個のアンテナが配備されている構造を採用しているものである。

【0040】

これによって、シールドマシン回転カッターのアームが回転したときに障害物として予想しているＨ鋼とアームに配備されているアンテナとの位置関係がどのように変化しても、アームが伸びる方向で当該アームに複数個配置されているアンテナの中のいずれかのアンテナで効率的にＨ鋼の反射波を検出できるようにしている。

【0041】

この場合、複数個配置される各アンテナのアンテナ軸が伸びる方向をそれぞれ異ならせることで検出効率を高めることができる。

【0042】

例えば、アンテナ軸が伸びる方向がアームが伸びる方向と直交するアンテナと、アンテナ軸が伸びる方向がアームが伸びる方向に平行であるアンテナとを採用し、しかも、それぞれ、複数個採用して、アンテナが伸びる方向で、交互に配置することができる。

【0043】

あるいは、アンテナ軸が伸びる方向がアームが伸びる方向に斜交するアンテナと、アンテナ軸が伸びる方向がアームが伸びる方向に斜交するアンテナであるが前者のアンテナとは異なる角度、あるいは異なる方向で斜交しているアンテナとが採用されて、しかも、それぞれ、複数個採用されて、アンテナが伸びる方向で、交互に配置されている、等の実施形態にすることができる。

【0044】

シールドマシン回転カッターのアームが回転したときに障害物として予想しているＨ鋼とアームに配備されているアンテナとの位置関係がどのように変化しても、アームが伸びる方向で当該アームに複数個配置されているアンテナの中のいずれかのアンテナで効率的にＨ鋼の反射波を検出できるようにする目的が達成されるように、種々の配置形式を採用可能である。

【0045】

この実施形態のシールドマシン用地中レーダの地中レーダ装置としては、従来公知の種々の方式を採用することができる。例えば、チャープ式地中レーダ装置である。この他にも、従来公知のパルス式地中レーダ装置、ＦＭＣＷ方式地中レーダ装置を使用することもできる。

【0046】

いずれも従来公知の方式の地中レーダ装置であり、この実施形態では、本発明の特徴になっている、シールドマシンの回転カッターのアームへのアンテナの配置形式ついてのみ説明し、その他の従来公知の構造、機構の説明は省略する。

【0047】

図５は、シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている回転カッターのアームに地中レーダのアンテナが配備されているシールドマシン用地中レーダの実施形態に係るアンテナ配置形態の一例を説明する一部を省略した正面図である。

【0048】

図５図示の実施形態ではシールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に８本の回転カッターのアーム１、２、３、４、５、６、７、８が伸びている。

【0049】

この複数本のアーム１～８の中の少なくとも１本にアームが伸びる方向で複数個のアンテナが配備されているものである。図５では、アーム１に地中レーダ装置のアンテナ１０、１１、１２、１３が、アーム１が伸びる方向で互いの間に所定の間隔をあけて配備されている。

【0050】

図５は、アンテナの軸の向きがアーム１が伸びる方向と平行である第一のアンテナと、アンテナの軸の向きがアーム１が伸びる方向に直交する第二のアンテナとが、アーム１が伸びる方向で交互に複数個ずつアーム１に配置されている実施形態の一例を示すものである。

【0051】

図６で説明しているように、アンテナ１０のアンテナエレメントではアンテナの軸１０ａ、１０ｂは、図６で左右方向に伸びている。

【0052】

そこで、図７に拡大して示したように、図５図示の実施形態では、アンテナ１０、アンテナ１２は、その軸の向きが、アーム１が伸びる方向と直交している第二のアンテナに相当し、アンテナ１１、アンテナ１３は、その軸の向きが、アーム１が伸びる方向と平行になっている第一のアンテナに相当する。

【0053】

図５図示の実施形態は、アンテナの軸の向きがアーム１が伸びる方向と平行である第一のアンテナ（アンテナ１１、アンテナ１３）と、アンテナの軸の向きがアーム１が伸びる方向に直交する第二のアンテナ（アンテナ１０、アンテナ１２）とが、アーム１が伸びる方向で交互に２個ずつアーム１に配備されているものである。

【0054】

図５図示のように、アーム１が伸びる方向で交互に配置されている第一のアンテナ（アンテナ１１、アンテナ１３）と第二のアンテナ（アンテナ１０、アンテナ１２）との組み合わせが少なくとも２組存在する構成にすることが障害物検出レベルを高める上で有利である。

【0055】

図１４は、図５図示のアンテナ配置構成になっているこの実施形態のシールドマシン用地中レーダで、回転カッターのアームが回転中心軸を中心にして周方向に回転するときに、シールドマシン進行方向前方の前面に存在している障害物（Ｈ鋼１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ、１００ｉ、１００ｊ）がどのように検出されるかを説明するものである。

【0056】

図５におけるアンテナ１０は、回転中心軸を中心として図１４に符号２０２で示している領域を周方向に回転し、アンテナ１１は、回転中心軸を中心として図１４に符号２０３で示している領域を周方向に回転し、アンテナ１２は、回転中心軸を中心として図１４に符号２０４で示している領域を周方向に回転し、アンテナ１３は、回転中心軸を中心として図１４に符号２０５で示している領域を周方向に回転する。

【0057】

図３（ａ）～（ｅ）を用いて説明したように、アンテナの軸の方向と細長い障害物（Ｈ鋼）が伸びる方向とが平行の位置関係になると反射波のレベルが大きく得られて反射波が検出されやすくなり、アンテナの軸の方向と細長い障害物（Ｈ鋼）が伸びる方向とが直交する位置関係になると反射波のレベルがほとんど得られなくなって反射波を検出しづらくなり、アンテナの軸の方向と細長い障害物（Ｈ鋼）が伸びる方向とが斜めになるときには反射波のレベルが弱くなる。

【0058】

そこで、Ｈ鋼１００ｅについては、アンテナ１０が対向する符号１１６、１２３で示される箇所及び、アンテナ１２が対向する符号１１８、１２１で示される箇所では検出しづらいが、アンテナ１１が対向する符号１１７、１２２で示される箇所及び、アンテナ１３が対向する符号１１９、１２０で示される箇所では検出可能になる。

【0059】

Ｈ鋼１００ｆについては、アンテナ１０が対向する符号１２４、１２８で示される箇所及び、アンテナ１１が対向する符号１２５、１２７で示される箇所では検出しづらいが、アンテナ１２が対向する符号１２６で示される箇所では検出可能になる。

【0060】

Ｈ鋼１００ｇについては、アンテナ１０が対向する符号１２９、１３０で示される箇所で検出可能になる。

【0061】

Ｈ鋼１００ｈについては、アンテナ１０が符号１３１、１３４で示される箇所で対向し、アンテナ１１が符号１３２、１３３で示される箇所で対向することになるが、いずれの箇所においても検出レベルが低いものになる。

【0062】

Ｈ鋼１００ｉについては、アンテナ１０が符号１３５、１３６で示される箇所で対向することになるが、いずれの箇所においても検出レベルが低いものになる。

【0063】

Ｈ鋼１００ｊについては、アンテナ１０が対向する符号１３７で示される箇所及び、アンテナ１２が対向する符号１３９で示される箇所では検出しづらいが、アンテナ１１が対向する符号１３８で示される箇所及び、アンテナ１３が対向する符号１４０で示される箇所では検出可能になる。

【0064】

このように、シールドマシンの回転カッターのアームが回転したときに障害物として予想しているＨ鋼とアームに配備されているアンテナとの位置関係がどのように変化しても、アームが伸びる方向で当該アームに複数個配置されているアンテナのなかのいずれかのアンテナで効率的にＨ鋼の反射波を検出できるようにしている。

【0065】

この実施形態で使用するアンテナの周波数は、探知したい距離に合わせて５０ＭＨｚから２０ＧＨｚの範囲で対応可能な広帯域アンテナを選定して使用することで前方の探知距離を選択可能にすることができる。

【0066】

上述したように、アンテナ１０のアンテナエレメントとしては図６図示の構造のものが採用され、この寸法を目的に応じて変更、調整することで目的の性能を満たすアンテナを構成することができる。

【0067】

図１０～図１３は、いずれも上述した図５、図７図示の実施形態とは異なる配置形式で複数個のアンテナがアーム部に配備される例を説明する一部を省略した正面図である。

【0068】

図１０の実施形態では、アーム１に、アーム１が伸びる方向で互いの間に所定の間隔をあけている複数個のアンテナ１４、１５、１６、１７が配備されている。アンテナ１４、１５、１６、１７はいずれもその軸が伸びる向きがアーム１が伸びる方向に直交する配置になっている。

【0069】

図１１の実施形態では、アーム１に、アーム１が伸びる方向で互いの間に所定の間隔をあけている複数個のアンテナ１８、１９、２０、２１が配備されている。アンテナ１８、１９、２０、２１はいずれもその軸が伸びる向きがアーム１が伸びる方向と平行になっている。

【0070】

図１２の実施形態では、アーム１に、アーム１が伸びる方向で互いの間に所定の間隔をあけている複数個のアンテナ２２、２３、２４、２５、２６、２７が配備されている。アンテナ２２、２３、２４、２５、２６、２７はいずれもその軸が伸びる向きがアーム１が伸びる方向に直交する配置になっている。

【0071】

アーム１が伸びる半径方向で外側に配置されるアンテナ２２、２３は、これらよりも内側に配置されるアンテナ２４、２５、２６、２７よりも小型になっている。

【0072】

図１３の実施形態では、アーム１に、アーム１が伸びる方向で互いの間に所定の間隔をあけている複数個のアンテナ２８、２９、３０、３１、３２、３３が配備されている。アンテナ２８、２９、３０、３１、３２、３３はいずれもその軸が伸びる向きがアーム１が伸びる方向と平行になっている。

【0073】

アンテナ２８、２９、３０、３１、３２、３３は、図５、図７図示の実施形態におけるアンテナ１１、１３より小型になっている。

【0074】

小型のアンテナを採用することで、より多くのアンテナを、アーム１の伸びる方向で、互いの間に所定の間隔をあけて、アーム１に配備することが可能になる。アンテナの形状が小さくなると高い周波数を用いることができ、使用波長が短くなる。これにより障害物の位置検出精度は向上する。また、より多くのアンテナを配備することで障害物の位置検出精度を向上させることもできる。

【0075】

ただし、高い周波数は、媒質の減衰を低い周波数より受けることから探査距離が短くなる。そこで、アンテナを小型化してより多くのアンテナを配置できるようにするかどうかは、探査の目的に応じて種々に変更、採用することができる。

【0076】

上述した種々の配置形式で、複数のアンテナが少なくとも１本のアームに、当該アームが伸びる方向で配備されていることで、上述したように、シールドマシン回転カッターのアームが回転したときに、複数個のアンテナの中のいずれかのアンテナで効率的にＨ鋼の反射波を検出できるが、例えば、このような構造のアームが、シールドマシン回転カッターの複数本のアームに採用されていれば、更に多くのアンテナの中のいずれかのアンテナで効率的にＨ鋼の反射波を検出できることになる。

【0077】

この場合、このような構造の複数本のアームの各アームに複数個のアンテナが配置される半径方向の位置が、各アームごとに異なるようにすれば、シールドマシン回転カッターのアームが回転したときに、複数個のアンテナの中のいずれかのアンテナでＨ鋼の反射波を検出できる効率をより高めることができる。

【0078】

図８、図９は、複数個のアンテナが、アームが伸びる方向で、互いの間に所定の間隔をあけて配備されている形式のアームが、シールドマシン回転カッターのアームの中の複数本に採用されている実施形態の一例を説明するものである。

【0079】

図８では、アーム３に配備されている複数個のアンテナ３４、３５、３６、３７は、いずれも、そのアンテナ軸が伸びる方向が、アーム３が伸びる方向と平行になっているものである。一方、アーム７に配備されている複数個のアンテナ３７、３８、３９、４０、４１は、いずれも、そのアンテナの軸が伸びる方向が、アーム７が伸びる方向に直交しているものである。

【0080】

アーム３にアンテナ３４、３５、３６、３７がそれぞれ配備されている半径方向位置（すなわち、シールドマシン前面の回転中心軸からの半径方向の位置）と、アーム７にアンテナ３７、３８、３９、４０、４１がそれぞれ配備されている半径方向位置（すなわち、シールドマシン前面の回転中心軸からの半径方向の位置）とが同一である場合でも、シールドマシン回転カッターのアームが回転すると、シールドマシンの進行方向前方の前面に存在している細長い障害物に対しては、アンテナの軸が半径方向と平行に伸びるアンテナと、アンテナの軸が半径方向と直交して伸びるアンテナとが、交互に対向することになる。

【0081】

これによって、細長い障害物の反射波を検出できる効率を高めることができる。

【0082】

また、図８には示されていないが、アーム３に複数個（例えば、４個）配備されるアンテナも、アーム７に複数個（例えば、４個）配備されるアンテナも、いずれも、アーム３、７が伸びる方向（即ち半径方向）に対して、同一の方向に伸びているものであったとしても、アーム３に複数個（例えば、４個）配備されるアンテナそれぞれの半径方向位置（すなわち、シールドマシン前面の回転中心軸からの半径方向の位置）と、アーム７に複数個（例えば、４個）配備されるアンテナそれぞれの半径方向位置（すなわち、シールドマシン前面の回転中心軸からの半径方向の位置）とが互い違いになるように、異なるようになっていれば、シールドマシン回転カッターのアームが回転したときに、アーム３に配備されているアンテナの回転軌跡と、アーム７に配備されているアンテナの回転軌跡が一致しないことになる。

【0083】

これによって、シールドマシン回転カッターのアームが回転したときに、細長い障害物の反射波を検出できる効率を高めることができる。

【0084】

図９の実施形態は、配備されるアンテナの数を更に増やしたものである。

【0085】

アーム１に配備されている複数個のアンテナ４１、４２、４３、４４、４５、４６は、いずれも、そのアンテナ軸が伸びる方向が、アーム１が伸びる方向に直交している。アーム３に配備されている複数個のアンテナ４７、４８、４９、５０、５１、５２は、いずれも、そのアンテナ軸が伸びる方向が、アーム１が伸びる方向に直交している。

【0086】

アーム５に配備されている複数個のアンテナ５３、５４、５５、５６、５７、５８は、いずれも、そのアンテナ軸が伸びる方向が、アーム５が伸びる方向に平行になっている。

【0087】

アーム７に配備されている複数個のアンテナ５９、６０、６１、６２、６３、６４は、いずれも、そのアンテナ軸が伸びる方向が、アーム５が伸びる方向に平行になっている。

【0088】

図８を用いて説明したように、各アームに配備されている各アンテナの半径方向位置がそれぞれ同一であっても、シールドマシン回転カッターのアームが回転すると、シールドマシンの進行方向前方の前面に存在している細長い障害物に対しては、アンテナの軸が半径方向と平行に伸びるアンテナと、アンテナの軸が半径方向と直交して伸びるアンテナとが、それぞれ、２回、対向することになる。これによって、細長い障害物の反射波を検出できる効率を高めることができる。

【0089】

また、図９には図示していないが、各アームに配備されている各アンテナの半径方向位置がそれぞれ他のアームに配備されている各アンテナの半径方向位置と互いに異なるようにしておけば、シールドマシン回転カッターのアームが回転したときに、各アンテナの回転軌跡はそれぞれ異なるものになり、細長い障害物の反射波を検出できる効率を高めることができる。

【0090】

以上、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明したが本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々に変更可能である。

【0091】

例えば、上述した実施形態では、シールドマシン進行方向前方の前面で種々の方向に伸びて存在している障害物を検出するシールドマシン用地中レーダで説明しているが、更に、掘削後の空洞の有無を確認するためのアンテナが、シールドマシンの上面に、別途に配備されている形態にすることも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0092】

本発明のシールドマシン用地中レーダによれば、シールドマシン前面でその回転中心軸から放射状に複数本伸びている回転カッターのアームの中の少なくとも１本に、前記アームが伸びる方向で複数個のアンテナが配備されていることから、シールドマシン回転カッターのアームが回転する時に全面を探査できるようなる。そこで、シールドマシン前方に障害物を発見するまで安心してシールドマシンは通常スピードで掘進できる。障害物を発見した場合、それに対処する掘進スピードでゆっくり掘削し、シールドマシンのカッターを損傷することなく、効率的な掘削が期待できるようになる。

【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】