特許 7032733 トンネルの吹付け制御方法

(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】2022-03-01

(45)【発行日】2022-03-09

(54)【発明の名称】トンネルの吹付け制御方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 11/10 20060101AFI20220302BHJP

   G01C 7/06 20060101ALI20220302BHJP

   G01C 15/00 20060101ALI20220302BHJP

   G01B 11/02 20060101ALI20220302BHJP

【ＦＩ】

E21D11/10 D

G01C7/06

G01C15/00 104A

G01B11/02 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018054141

(22)【出願日】2018-03-22

(65)【公開番号】P2019167678

(43)【公開日】2019-10-03

【審査請求日】2021-03-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000166432

【氏名又は名称】戸田建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000195971

【氏名又は名称】西松建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000148346

【氏名又は名称】株式会社錢高組

(73)【特許権者】

【識別番号】508182589

【氏名又は名称】エフティーエス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000201478

【氏名又は名称】前田建設工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104927

【弁理士】

【氏名又は名称】和泉 久志

(72)【発明者】

【氏名】中林 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】小林 由委

(72)【発明者】

【氏名】関根 一郎

(72)【発明者】

【氏名】内藤 将史

(72)【発明者】

【氏名】小島 英郷

(72)【発明者】

【氏名】岩野 健

(72)【発明者】

【氏名】原田 尚幸

(72)【発明者】

【氏名】角田 晋相

(72)【発明者】

【氏名】桐木 俊之

(72)【発明者】

【氏名】森川 淳司

(72)【発明者】

【氏名】中田 晴久

(72)【発明者】

【氏名】山下 雅之

(72)【発明者】

【氏名】鬼頭 夏樹

(72)【発明者】

【氏名】山本 悟

(72)【発明者】

【氏名】木村 浩之

(72)【発明者】

【氏名】四塚 勝久

(72)【発明者】

【氏名】森田 篤

(72)【発明者】

【氏名】坂下 誠

(72)【発明者】

【氏名】水谷 和彦

【審査官】高橋 雅明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１２０３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－１８９９６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－１５０５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１９７９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５６－１１５４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２８３７５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ １１／１０

Ｇ０１Ｃ ７／０６

Ｇ０１Ｃ １５／００

Ｇ０１Ｂ １１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＮＡＴＭ工法によるトンネル掘削壁面を対象として、掘削壁面に対して任意の離間距離をおいてトンネル壁面に沿って移動制御可能な多関節ブームの先端に吹付けノズルを保持した吹付け機によって吹付けを行うにあたって、
トンネル壁面までの距離を計測する距離計測器を配置し、
吹付けノズルをトンネル壁面に沿って移動させ吹付けを行う過程で、吹付けノズルの移動速度を計測するとともに、前記距離計測器によって当該吹付け前と吹付け後の距離を計測することによって当該吹付けによる吹付け厚を計測し、かつこれら吹付けノズルの移動速度と吹付け厚との比例関係式を得ておき、
トンネル掘削壁面に凹凸部が存在している条件の下、吹付け材の圧送量を一定としながら吹付けノズルを移動させ吹付けを行う初期の段階で、前記比例関係式に基づき、相対的に凹部では移動速度を遅くし、凸部では移動速度を速くする移動制御を行うことにより吹付け面を平滑化するように修正することを特徴とするトンネルの吹付け制御方法。

【請求項2】

前記距離計測器は、前記吹付けノズルの移動方向前側となる位置と移動方向後側となる位置とにそれぞれ配置されている請求項１記載のトンネルの吹付け制御方法。

【請求項3】

前記距離計測器は、トンネル周方向に対して吹付けノズルを跨いだ前後位置と、トンネル方向に対して吹付けノズルを跨いだ前後位置となる位置を含む少なくとも４箇所以上に配置されている請求項１記載のトンネルの吹付け制御方法。

【請求項4】

前記吹付けノズルは、前記距離計測器による計測値に基づきトンネル壁面までの離隔距離が最適位置に制御される請求項１～３いずれかに記載のトンネルの吹付け制御方法。

【請求項5】

トンネル壁面に所定厚さの吹付けを終えた後の吹付け状態で、現吹付け形状線を計画吹付け形状線に近い形状線とする請求項１～４いずれかに記載のトンネルの吹付け制御方法。

【請求項6】

前記距離計測器として、レーダー距離計を用いている請求項１～４いずれかに記載のトンネルの吹付け制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＮＡＴＭ工法によるトンネル掘削において、掘削した壁面に対して吹付け材を吹き付ける際の吹付け制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、山岳トンネルの施工では、地山中に挿入したロックボルトと掘削壁面に沿って施工した吹付けコンクリートとを主たる支保部材とするＮＡＴＭ工法が主流となっている。掘削方法には、爆薬によって掘削を行う発破工法、ＴＢＭと呼ばれる全断面掘削機を用いるＴＢＭ工法、カッターブームを持つ自由断面掘削機を用いた機械掘削工法などに大別される。

【0003】

従来より、前述の吹付けコンクリート工事は主に、図９に示されるように、移動可能なクローラ式、タイヤ式又はレール式等の移動台車５０に吹付けノズルを保持するブーム５１を取付け、このブーム操作によって吹付けノズル５２を操作するようした吹付け機を用いて行っていた。

【0004】

前記吹付け工事は、切羽近傍に吹付け機を設置した状態で、ノズル制御を行うノズルマン、吹付け機の操作を行う吹付け機操作員、吹付けコンクリートを吹付け機に供給する生コン運転手などの作業員によって行われているが、狭隘な空間での苦渋作業になるとともに、たとえ換気設備を設けたとしても比較的濃度の濃い粉塵に曝される悪環境下での作業を強いられていた。

【0005】

そこで、近年はトンネルの吹付け作業の自動化、すなわち吹付け作業を遠隔操作によって無人化ないし自動化する試みが成されている。

【0006】

例えば下記特許文献１では、吹付け作業現場に；吹付け作業部位の内壁面形状を測定するための光波測距儀と、遠隔操作される吹付けロボットと、前記光波測距儀による計測作業および前記吹付けロボットによる吹付け作業を監視するためのカメラとを設備し、遠隔操作部位に；前記光波測距儀によって計測された計測信号をデータ処理するとともに、モニタ表示するためのコンピューターと、前記吹付けロボットを遠隔操作するための吹付けロボット用遠隔制御操作器と、前記カメラによって撮影された映像を表示するためのモニタ装置とを設備し、前記吹付け作業現場に設備された装置群と、遠隔操作部位に設備された装置群との間の各種信号を、無線通信による電波によって空間伝送可能に、または信号ケーブルによって有線伝送可能に接続した地下掘削における吹付け作業の遠隔操作システムが開示されている。

【0007】

また、下記特許文献２では、複数のカメラを一定間隔を隔てて固定してなるステレオカメラ装置を回動制御可能に備えた撮影ユニットをトンネル内に搬入し、前記撮影ユニットによりコンクリート吹付け前の内空断面を撮影し、そのステレオ撮影データをコンピュータに入力してステレオ画像計測の原理により前記内空断面形状を計算した後、該内空断面形状を基に計画内空断面を算出し、該計画内空断面形状のデータを基にコンクリート吹付けを行わせるコンクリートの吹付け管理方法が開示されている。

【0008】

一方、吹付け厚の管理に関して、従来は図１０に示されるように、切羽６０の後方に三脚によって設置したトータルステーション６１によってトンネル周方向に沿って壁面形状計測を行い吹付け厚を測定する方法が専ら採用されていた。しかしながら、この方法の場合は、測定箇所に対してレーザー光が斜角で入射されるため、測定精度が確保されないとともに、余掘等が存在する場合に断面測定誤差が大きくなってしまう問題があった。すなわち、図１１に示されるように、設計計画線Ｓ１に対して余堀が生じて実際の掘削形状が掘削線Ｓ_２で示される状態である場合、測定対象断面Ｔ．Ｄ上の点Ｔ_１，Ｔ_２を視準して得られる計測値がａ_１，ａ_２であるとすると、計算上の内空断面は（ａ_１cosθ_１＋ａ_２cosθ_２）となるのに対して、実際の内空断面は（ｂ_１＋ｂ_２）であり、余堀によって測定値に大きな誤差が生じてしまう問題があった。

【0009】

そこで、下記特許文献３では、掘削断面の内側にほぼ一定の離間距離をおいて周方向に沿って配置された周方向レール上に搭載され、該周方向レールに沿って移動自在とされる走行台車上に掘削面をほぼ直交的に視準する光波測距儀を配設した吹付け厚測定装置又は少なくとも掘削断面の内側をほぼ一定の離間距離をおいて周方向に沿って移動制御可能なアーム先端に光波測距儀を保持した吹付け厚測定装置を用い、地盤掘削後の所定断面位置において、前記光波測距儀により掘削素掘面を断面周方向に沿って走査することにより掘削後の素掘面形状データを得た後、吹付け作業中の任意段階または吹付け作業完了段階に前記所定断面位置で、再度前記光波測距儀により断面周方向に沿って吹付け面を走査することにより吹付け中または吹付け完了後の吹付け厚形状データを得るとともに、前記素掘面形状データと吹付け厚形状データとに基づいて吹付け厚を求めるようにした吹付け厚測定方法が開示されている。

【0010】

更に、下記特許文献４では、さらに吹付け厚管理とともに、吹付け材の供給量、吹付け圧等の管理をも行えるようにするために、図１２に示されるように、トンネル周方向壁面より内側にほぼ一定の離間距離をおいてトンネル周方向に沿って形成された走行レール面を有しかつトンネル長手方向に沿って移動自在とされる周方向レール部材７０と、この周方向レール部材７０に搭載され前記走行レール面に沿ってトンネル周方向回りに走行自在とされる吹付けノズル保持装置７１からなるとともに、前記吹付けノズル保持装置７１に対し、正面から視て吹付けノズル位置を挟んで進行方向前後位置にトンネル壁面を視準する光波測距儀７２、７３をそれぞれ配設固定してあるトンネル用吹付け装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２０００－１２０３９４号公報

【文献】特開２００３－１３６９９号公報

【文献】特開２０００－２８３７５６号公報

【文献】特開２０００－１２０３９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

前記特許文献３によれば、吹付け材の厚さ管理を簡易かつ精度良く行えるようになるなどの利点がもたらされるようになる。

【0013】

前記特許文献４によれば、吹付けノズル保持装置をトンネル周回りに移動させる過程で、吹付け前の吹付け厚と吹付け後の吹付け厚との両方を計測することにより、一走行過程によって吹付けされる吹付け厚さをリアルタイムで知ることが出来るようになり、もって吹付けコンクリートの圧送量および圧送圧等の管理が容易に行えるようになるとの利点がもたらされるようになる。

【0014】

しかしながら、これら文献３，４によるトンネル掘削方法は、基本的にＴＢＭを用いた掘削であり、掘削断面がほぼ一定である場合を対象としているものである。すなわち、ＴＢＭ工法による掘削断面はほぼ一定形状を成しており、設計吹付け厚もトンネル周方向にほぼ一定となるため、一走行過程によって吹付けされる吹付け厚さをリアルタイムで知ることで残りの吹付け厚さを知ることができ、最終回の吹付け厚を終えた後は設計吹付け形状線にほぼ一致したものにできる。その後の微修正は、特許文献４の段落[0028]に記載されるように、設計吹付け形状線と現吹付け形状線とを比較しながら計画吹付け厚に足らないエリア部分を増厚するように吹付けノズル保持装置を移動制御して吹付けを行い、トンネル周方向の全周に亘って計画吹付け形状線通りにコンクリートの吹付けを行うようにしている。

【0015】

これに対して、掘削方法が特に発破工法である場合には、掘削壁面が綺麗な曲面を成しているわけではなく、不規則に凹凸部が存在しているため、計画吹付け形状線までの吹付け厚がトンネル周方向の各位置で大きく変化することになる。そのため、上記特許文献３，４のように、吹付けノズルを一定速度でかつ一定の吹付け量で吹付けを行ったのでは、トンネル周方向に複数回の吹付けながら走行させた後の吹付け状態で、計画吹付け形状線に近い形状線とすることは到底できない。

【0016】

すなわち、凹凸部が多数存在している状態にも拘わらず、吹付けノズルを一定速度でかつ一定の吹付け量で吹付けを行った場合には、最も大きい凸部箇所が計画吹付け厚形状線に達する状態まで吹き付けを行った後に、計画吹付け厚形状線までの厚みが足らない箇所をトンネル周方向に走査し、不足分を行うように吹付けを行う必要が生じ、この吹付け作業が煩雑で手間の掛かる作業となっていた。

【0017】

そこで本発明の主たる課題は、ＮＡＴＭ工法によるトンネル掘削壁面を対象として、掘削壁面に対して任意の離間距離をおいてトンネル壁面に沿って移動制御可能な多関節ブームの先端に吹付けノズルを保持した吹付け機によって吹付けを行うにあたって、壁面に凹凸部が存在していても、吹付けを行う初期の段階で、吹付け面を平滑化するように修正して吹付け作業を効率化することにある。

【課題を解決するための手段】

【0018】

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、ＮＡＴＭ工法によるトンネル掘削壁面を対象として、掘削壁面に対して任意の離間距離をおいてトンネル壁面に沿って移動制御可能な多関節ブームの先端に吹付けノズルを保持した吹付け機によって吹付けを行うにあたって、
トンネル壁面までの距離を計測する距離計測器を配置し、
吹付けノズルをトンネル壁面に沿って移動させ吹付けを行う過程で、吹付けノズルの移動速度を計測するとともに、前記距離計測器によって当該吹付け前と吹付け後の距離を計測することによって当該吹付けによる吹付け厚を計測し、かつこれら吹付けノズルの移動速度と吹付け厚との比例関係式を得ておき、
トンネル掘削壁面に凹凸部が存在している条件の下、吹付け材の圧送量を一定としながら吹付けノズルを移動させ吹付けを行う初期の段階で、前記比例関係式に基づき、相対的に凹部では移動速度を遅くし、凸部では移動速度を速くする移動制御を行うことにより吹付け面を平滑化するように修正することを特徴とするトンネルの吹付け制御方法が提供される。

【0019】

上記請求項１記載の発明では、吹付け機に対して、トンネル壁面までの距離を計測する距離計測器を配置する。また、吹付けノズルをトンネル壁面に沿って移動させ吹付けを行う過程で、吹付けノズルの移動速度を計測するとともに、前記距離計測器によって当該吹付け前と吹付け後の距離を計測することによって当該吹付けによる吹付け厚を計測し、かつこれら吹付けノズルの移動速度と吹付け厚との比例関係式を得ておくようにする。つまり、前記比例関係式を予め把握しておくことによって、吹付けノズルを移動速度をどの程度変化させれば、どれだけ吹付け厚を増減できるかの関係を得ておくことによって、凹部箇所と凸部箇所を修復して吹付け面を平滑化するための吹付けノズルの移動速度の増減程度を適格に把握できるようにしておく。

【0020】

トンネル掘削壁面に凹凸部が存在している条件の下、実際の吹付け作業では、吹付け材の圧送量を一定としながら吹付けノズルを移動させ吹付けを行う初期の段階で、前記比例関係式に基づき、相対的に凹部では移動速度を遅くし、凸部では移動速度を速くする移動制御を行うことにより吹付け面を平滑化するように修正することで、早めに凹部と凸部の影響を無くし、その後の吹付け作業を効率よく行えるようにする。

【0021】

請求項２に係る本発明として、前記距離計測器は、前記吹付けノズルの移動方向前側となる位置と移動方向後側となる位置とにそれぞれ配置されている請求項１記載のトンネルの吹付け制御方法が提供される。

【0022】

上記請求項２記載の発明では、前記距離計測器の配置に関して、吹付けノズルがトンネル周方向に移動されることを前提に、前記吹付けノズルの移動方向前側となる位置と移動方向後側となる位置とにそれぞれ配置されている。これら距離計測器によって、当該吹付けによる吹付け厚を計測することが可能となる。

【0023】

請求項３として、前記距離計測器は、トンネル周方向に対して吹付けノズルを跨いだ前後位置と、トンネル方向に対して吹付けノズルを跨いだ前後位置となる位置を含む少なくとも４箇所以上に配置されている請求項１記載のトンネルの吹付け制御方法が提供される。

【0024】

上記請求項３記載の発明では、吹付けノズルの任意の移動方向に対応するため、距離計測器をトンネル周方向に対して吹付けノズルを跨いだ前後位置と、トンネル方向に対して吹付けノズルを跨いだ前後位置となる位置を含む少なくとも４箇所以上に設けるようにしたものである。

【0025】

請求項４に係る本発明として、前記吹付けノズルは、前記距離計測器による計測値に基づきトンネル壁面までの離隔距離が最適位置に制御される請求項１～３いずれかに記載のトンネルの吹付け制御方法が提供される。

【0026】

上記請求項４記載の発明は、前記吹付けノズルの位置制御に関して、前記距離計測器による計測値に基づきトンネル壁面までの離隔距離がリバウンド率が最も少なくなる最適位置に制御されることが望ましい。

【0027】

請求項５に係る本発明として、トンネル壁面に所定厚さの吹付けを終えた後の吹付け状態で、現吹付け形状線を計画吹付け形状線に近い形状線とする請求項１～４いずれかに記載のトンネルの吹付け制御方法が提供される。

【0028】

上記請求項５記載の発明では、請求項１に係る手法によって吹付け面を平滑化するように修正することによって、所定厚の吹付けを終えた後の吹付け状態で、現吹付け形状線を計画吹付け形状線に近い形状線とするものである。すなわち、トンネル壁面に所定厚さの吹付けを終えた時点で計画吹付け形状線に近い形状線とすることで、吹付け厚不足箇所を修復するような補助作業を無くすか省力化し、吹付け作業を効率化する。

【0029】

請求項６に係る本発明として、前記距離計測器として、レーダー距離計を用いている請求項１～５いずれかに記載のトンネルの吹付け制御方法が提供される。

【0030】

上記請求項６記載の発明は、前記距離計測器として、例えば光波測距儀、レーザー距離計、超音波距離計、レーダー距離計など任意の距離計を用いることができるが、光波測距儀やレーザー距離計では粉塵やリバウンドがノイズになり易く測定できないことがあるため、波長の短いマイクロ波を使用しているため環境要因等のノイズに強いレーダー距離計を用いるようにしたものである。

【発明の効果】

【0031】

以上詳説のとおり本発明によれば、ＮＡＴＭ工法によるトンネル掘削壁面を対象として、掘削壁面に対して任意の離間距離をおいてトンネル壁面に沿って移動制御可能な多関節ブームの先端に吹付けノズルを保持した吹付け機によって吹付けを行うにあたって、壁面に凹凸部が存在していても、吹付けを行う初期の段階で、吹付け面を平滑化するように修正することが可能となり、吹付け作業を効率化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】吹付け機１による吹付け要領を示す側面図である。

【図2】その平面図である。

【図3】吹付けノズル１２部位の正面図である。

【図4】本発明に係る吹付け要領（その１）である。

【図5】本発明に係る吹付け要領（その２）である。

【図6】本発明に係る吹付け要領（その３）である。

【図7】本発明に係る吹付け要領（その４）である。

【図8】吹付けノズル１２の移動速度と吹付け厚との比例関係式の概念図である。

【図9】吹付け機５０による吹付け要領を示す側面図である。

【図10】吹付け厚の測定要領を示す図である。

【図11】その際の測定誤差要因の説明図である。

【図12】特許文献４に係るトンネル用吹付け装置を示す正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

【0034】

図１に示される吹付け機１は、走行可能な台車１０に対して、多関節ブーム１１を介して、吹付けノズル１２を保持した構造の重機である。前記多関節ブーム１１の可動部分には各種センサが取付けられており、これら各種センサによる計測データに基づいて吹付けノズル１２の位置情報を得るとともに、サーボ機構により吹付けノズル１２を所定の吹付け位置に移動させる制御機構を備えている。

【0035】

切羽近傍では、ホイールジャンボ、吹付け機、ホイールローダ等のトンネル施工用重機が配置され、例えば上半及び下半の一括併行作業により掘削を行うミニベンチ工法により上半及び下半のそれぞれにおいてロックボルト削孔および装薬孔・装薬を併行して行った後、上半及び下半を一気に切り崩し、その後ズリ出し→当り取り→一次吹付け→（鋼製支保工建込み）→（二次吹付け）→ロックボルト打設などの手順にて掘削が１サイクル毎に行われる。また、切羽後方ではセントルが配置され、覆工体の構築、インバート施工が行われる。

【0036】

前記吹付け機１は、前記一次吹付け及び二次吹付けの吹付け作業に際して使用される。

【0037】

図１及び図２に示されるように、吹付け機１をトンネル切羽近傍の吹付け部位に位置決めしたならば、測量によって吹付け機１の位置座標及び姿勢状態を計測によって明らかにする。トンネル形状の座標データや計測吹付け形状線データなどの座標データは制御器に対してすべて入力されており、吹付けノズル１２の位置座標の計測や吹付けノズル１２の移動制御の座標などを管理するためには、吹付け機１の座標状態をまず把握する必要があるためである。

【0038】

先ず、トンネル坑内に計測のためのトータルステーション２が設置される。トンネル坑内には予め少なくとも２点の基準点（図示せず）が設置されており、トータルステーション２により前記２つの基準点を視準して得た測距・測角データに基づいて、後方交会法によりトータルステーション２の設置座標を求める。なお、このステーション２の位置座標は位置ズレが生じていないかの照査のために適宜の時間間隔毎に行われる。

【0039】

前記吹付け機１の後方側に少なくとも２点の視準ターゲット３Ａ，３Ｂを設置しておく。これら２つの視準ターゲット３Ａ、３Ｂは水平方向に離間するとともに、上下方向に高さを異ならせて設置することにより、これら視準ターゲット３Ａ、３Ｂを前記トータルステーション２で視準することにより、吹付け機１の設置座標とともに、吹付け機１の姿勢状態（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を求めることが可能となる。これらの計測によって、多関節ブーム１１の基部旋回中心Ｏの座標を確定する。この基部旋回中心Ｏの座標から吹付けノズル１２の位置座標までは多関節ブーム１１の各関節部に設けられた各種センサ（回転角センサ、変位センサ、近接センサ等）の作動量の計測によって求められる。なお、前記吹付け機１の位置及び姿勢は、後部に１つの視準ターゲットを設置するとともに、３軸角度センサを機体に取付け、前記視準ターゲットにより座標を取得し、かつ前記３軸角度センサにより姿勢状態を把握するようにしてもよい。

【0040】

＜吹付け機１＞
前記吹付け機１においては、図３に示されるように、吹付けノズル１２に支持台１５が設けられ、吹付けノズル１２を挟んでトンネル周方向に隣接する一方側位置と他方側位置とにそれぞれトンネル壁面までの距離を計測する距離計測器１３，１４を配置してあり、これらの距離計測器１３，１４により吹付けに併行して吹付け厚測定が行えるようにしている。すなわち、吹付けノズル１２がトンネル周方向に沿って移動される場合、その移動方向前側となる位置と移動方向後側となる位置とにそれぞれ距離計測器１３，１４を配置し、これら距離計測器１３，１４によって、当該吹付けによる吹付け厚を計測できるようにしている。

【0041】

前記距離計測器１３、１４としては、光波測距儀、レーザー距離計、超音波距離計、レーダー距離計など任意の距離計を用いることができるが、光波測距儀やレーザー距離計では粉塵やリバウンドがノイズになり測定できないことがあるため、波長の短いマイクロ波を使用しているため環境要因等によるノイズに強いレーダー距離計を用いることが望ましい。また、波長が短いマイクロ波を使用しているため計測精度も向上できるようになる。

【0042】

吹付けは、基本的にトンネル周方向に時計回り方向と半時計回り方向とに交互に移動されるため、仮に図示のように、時計回り方向に移動される場合は、移動方向前側に位置する距離計測器１３によって吹付け前の距離が計測され、移動方向後側に位置する距離計測器１４によって吹付け後の距離が計測され、これらの差分から吹付け厚が計算される。すなわち、吹付けノズル１２を掘削壁面に対して任意の離間距離をおいて、トンネル壁面に沿って移動させながら吹付けを行う過程で、当該吹付けによる吹付け厚をリアルタイムで把握することが可能となっている。

【0043】

なお、本発明における「吹付け」には、一般的なコンクリート吹付けの他、モルタル吹付け等、各種の吹付け材料を含むものである。また、前記吹付けノズル１２から吹付け面までの離隔距離は、リバウンド率が最も少なくなる最適位置に設定するのが望ましい。

【0044】

＜吹付け機１による吹付け制御方法＞
前述した吹付け機１による吹付けは、ＮＡＴＭ工法によるトンネル掘削壁面を対象としており、トンネル掘削壁面に凹凸部が存在している条件の下での吹付け制御である。

【0045】

先ず、図４に示されるように、発破工法による掘削であるため、掘削線は凹部と凸部とがトンネル壁面に不規則に発生している。先ず、前記左右一対の距離計測器１３，１４の内の一方側、図示例では移動方向前側の距離測定器１３を使って、吹付けノズル１２をトンネル周方向に移動させる過程で連続的に計測を行い、素掘面の形状計測を行う。これによって、掘削断面形状が明らかとなり、基準掘削線に対して、トンネル周方向に沿った各位置での凹部量(mm)と凸部量(mm)とが把握される。

【0046】

次に、吹付け材の圧送量を一定としながらトンネル周方向に吹付けノズルを移動させ吹付けを行う前の事前準備工程、或いは吹付け途中ないし吹付けを既に終えた箇所で計測したデータに基づいて、吹付けノズル１２の移動速度Ｖと吹付け厚ｔとの比例関係式を得ておく。具体的には、図８に示されるように、例えば縦軸を吹付け厚さｔ(mm)とし、横軸を移動速度Ｖ(cm/s)としたグラフで比例関係式ｔ＝－ａ・Ｖ＋ｂ（a,bは定数）を得ておく。図示されるように、基準吹付け厚及び基準移動速度が想定すると、凹部量(mm)又は凸部量(mm)の程度に応じてそれを修正するための移動速度Ｖの増減程度が簡単に導かれるようになっている。

【0047】

なお、吹付け材の圧送量は少なくともトンネル周方向の移動始点から移動終点までの間では一定量とする。吹付け材の圧送量を変化させることも可能であるが、パラメータが多くなると制御が複雑化するとともに、吹付け材の圧送量毎に吹付けノズルの移動速度と吹付け厚との比例関係式を準備しておく必要があり制御が煩雑化することになる。従って、吹付け材の圧送量は基本的には吹付け開始から最終吹付けの手前の段階までは、トンネル周方向の移動始点から移動終点までの間で一定とし、最終の吹付け厚調整用として圧送量を増加減した他の１、２パターンを用意しておく程度とすることが望ましい。

【0048】

吹付けは、通常は１周回当たりの吹付け厚さが設定され、複数回の吹付け作業によって計画吹付け形状線になるように行われるが、本発明では、トンネル周方向に吹付けノズルを移動させ吹付けを行う初期の段階で、前記比例関係式に基づき、相対的に凹部では移動速度を遅くし、凸部では移動速度を速くする移動制御を行うことにより吹付け面を平滑化するように修正する吹付け制御が行われる。すなわち、トンネル掘削壁面に凹凸部が存在している条件の下では、吹付け厚を一定としながら吹付けを行い、どこかの箇所が計画吹付け形状線に達した後に、吹付けの足りない箇所を走査し、不足箇所を探しながら当該箇所に吹付けを行ったのでは吹付け作業に時間と手間が掛かり過ぎることになる。本制御では、吹付けの初期の段階（本形態例では１回目の吹付け操作として説明）で、凹部と凸部の影響を無くし、吹付け面を平滑化するように吹付け制御が行われる。

【0049】

具体的に図５は１回目の吹付け状態を示した吹付け要領図であるが、移動方向前側に位置する距離計測器１３により吹付け前の形状線を計測し、移動方向後側に位置する距離計測１４により吹付け後の形状線を計測している。前記距離計測器１３による距離計測によってこれから吹き付ける部位を特定するとともに、凹部量(mm)又は凸部量(mm)が特定されることになる。凹部量(mm)又は凸部量(mm)が特定されれば、図８に示される比例関係式に当て嵌めれば、当該箇所の吹付け厚が決まり、移動速度Ｖ(cm/s)がおのずと決定されることになる。このような吹付けノズル１２の移動制御を行うことで、図５に示されるように、吹付けされた後の吹付け面を平滑化するように修正することができる。本形態例では１回の吹付け操作によって平滑化する例を示したが、凹部量(mm)又は凸部量(mm)の程度によっては２回目ないし３回目の吹付け終了時点で平滑化するようにしてもよい。なお、基本的には１回目の吹付け操作によって平滑化することを意図した場合でも、施工誤差をあるため、２回目、３回目（本例では最終回）の吹付けにおいても、図８に示される比例関係式に基づいて吹付け速度を微調整することにより、徐々に平滑化の精度を上げることが可能である。

【0050】

図６は３回目(最終回)の吹付け状態を示した吹付け要領図であるが、２回目の吹付け操作でほぼ吹付け面は平滑化されているため、３回目（最終回）の吹付けでは、ほぼ一定の吹付け速度Ｖ(cm/s)で吹付けノズル１２を移動させながら吹き付ける。吹付けの初期の段階で吹付け面が平滑化されるように吹付け制御を行うため、トンネル壁面に所定厚さ（本形態例では３回による吹付け厚さ）の吹付けを終えた後の吹付け状態で、現吹付け形状線を計画吹付け形状線に近い形状線とすることが可能となる（図７参照）。

【0051】

吹付けを完了したならば、図７に示されるように、前記左右一対の距離計測器１３，１４の内の一方側、図示例では移動方向前側の距離測定器１３を使って、吹付けノズル１２をトンネル周方向に移動させる過程で連続的に計測を行い、吹付け完了状態の出来形計測を行い、当該吹付け箇所での吹付けを完了する。

【0052】

〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、トンネルの天端及び側面上部位置を対象として、吹付けノズル１２をトンネル周方向に沿って移動させる場合の吹付けについて説明したが、トンネルの側面下部については下側方向に向かって又は上側方向に向かって水平方向にジグザグ状に移動させて吹付けを行う場合がある。この場合でも、本発明は同様に適用することが可能である。この場合、距離計測器１３，１４は吹付けノズル１２の移動方向前側となる位置と移動方向後側となる位置とにそれぞれ配置することになる。なお、吹付けノズル１２の任意の移動方向に対応するため、距離計測器をトンネル周方向に対して吹付けノズル１２を跨いだ前後位置と、トンネル方向に対して吹付けノズル１２を跨いだ前後位置となる位置を含む少なくとも４箇所以上に設けるようにしてもよい。

【0053】

(2)本形態例では、掘削壁面に対して任意の離間距離をおいてトンネル壁面に沿って移動制御可能な多関節ブーム１１の先端に吹付けノズル１２を保持した吹付け機１による吹付け制御方法について説明したが、本制御方法は前記特許文献３に示されるような、掘削断面の内側にほぼ一定の離間距離をおいて周方向に沿って配置された周方向レール上に搭載され、該周方向レールに沿って移動自在とされる走行台車上に掘削面をほぼ直交的に視準する光波測距儀を配設した吹付け厚測定装置の場合にも同様に適用することが可能である。

【符号の説明】

【0054】

１…吹付け機、２…トータルステーション、３Ａ・３Ｂ…視準ターゲット、１０…台車、１１…多関節ブーム、１２…吹付けノズル、１３・１４…距離測定器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】