(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】2022-10-04
(45)【発行日】2022-10-13
(54)【発明の名称】吹付厚管理装置およびトンネル施工方法
(51)【国際特許分類】
G01B 11/06 20060101AFI20221005BHJP
E21D 11/10 20060101ALI20221005BHJP
【FI】
G01B11/06 Z
E21D11/10 D
(21)【出願番号】P 2021172959
(22)【出願日】2021-10-22
【審査請求日】2021-11-08
(31)【優先権主張番号】P 2020180178
(32)【優先日】2020-10-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第2項適用 (1)令和3年9月9日に「令和3年度土木学会全国大会 in関東 オンライン」の講演情報(https://confit.atlas.jp/guide/event/jsce2021/subject/VI-439/date?cryptoId=」において公開 (2)令和3年9月9日に「令和3年度土木学会全国大会 in関東 オンライン」のオンライン発表(https://confit.atlas.jp/guide/event/jsce2021/subject/VI-439/date?cryptoId=)において公開 (3)令和3年10月18日に「日刊建設工業新聞オンライン」(https://www.decn.co.jp/?page_id=2)において公開 (4)令和3年10月18日に「日刊建設工業新聞,第3面」において公開 (5)令和3年10月18日に「建設通信新聞DIGITAL」(https://www.kensetsunews.com/archives/622737)において公開 (6)令和3年10月18日に「建設通信新聞,第3面」において公開
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000206211
【氏名又は名称】大成建設株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】394017446
【氏名又は名称】マック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】竹中 計行
(72)【発明者】
【氏名】西田 与志雄
(72)【発明者】
【氏名】木下 勇人
(72)【発明者】
【氏名】友野 雄士
(72)【発明者】
【氏名】宮本 真吾
(72)【発明者】
【氏名】宮原 宏史
(72)【発明者】
【氏名】山東 開
【審査官】山▲崎▼ 和子
(56)【参考文献】
【文献】特開2021-095716(JP,A)
【文献】特開2016-038369(JP,A)
【文献】特開平10-020021(JP,A)
【文献】特開2013-113796(JP,A)
【文献】特開2020-067729(JP,A)
【文献】宮嶋保幸, 外4名,"トンネル切羽の鏡吹付けコンクリート厚さ管理システムの開発",土木学会年次学術講演会講演概要集,日本,公益社団法人土木学会,2019年08月01日,74th,ROMBUNNO.VI-733
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01B 11/00-11/30
G01C 1/00-15/14
G01S 7/48-7/51
17/00-17/95
E21D 11/00-19/06
23/00-23/26
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
トンネル切羽における鏡部およびアーチ部の少なくとも一方に対して任意に設定した計測点までの距離を測定するレーザー距離計と、
前記計測点の近傍にレーザー光を照射するレーザー照射手段と、
前記レーザー距離計の測定結果から吹付厚さを算出する演算手段と、
前記レーザー距離計に装備された傾斜計と、を備える吹付厚管理装置であって、
前記レーザー距離計は、トンネル掘削により露出した地山面までの初期距離と、前記地山面に吹き付けられた吹付コンクリートの表面までの吹付距離を測定し、
前記傾斜計は、水平面に対するレーザー光の傾斜角度を測定し、
前記演算手段は、前記初期距離と前記吹付距離と前記傾斜角度に基づいて前記吹付厚さを算出し、
前記レーザー照射手段は、前記吹付厚さに応じてレーザー光の色を変化させる、または、レーザー光の連続照射と点滅照射とを切り替えることを特徴とする、吹付厚管理装置。
【請求項2】
前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段は、吹付マシンの操作席の近傍に設置されていて、前記吹付マシンのオペレータにより向きの微調整が可能であることを特徴とする、請求項1に記載の吹付厚管理装置。
【請求項3】
前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段は、同一の取付部材を介して前記吹付マシンに取り付けられていることを特徴とする、請求項2に記載の吹付厚管理装置。
【請求項4】
前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段は、前面に粉塵防護ガラス材が設けられた防塵筐体に収納されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項
3のいずれか1項に記載の吹付厚管理装置。
【請求項5】
請求項1乃至請求項
4のいずれか1項に記載の吹付厚管理装置を利用したトンネル施工方法であって、
鏡部またはアーチ部に対して任意に設定した計測点に対して、トンネル掘削により露出した地山面までの距離である初期距離値を前記レーザー距離計により測定する初期測定作業と、
前記地山面に対して吹付コンクリートを吹き付ける吹付作業と、を備えており、
前記吹付作業では、
前記レーザー距離計により前記吹付コンクリートの表面までの距離である吹付距離値を所定時間毎に測定し、
前記初期距離値と、前記吹付距離値と、トンネル軸方向に対する前記レーザー距離計の角度とを利用して吹付厚さを算出し、
前記吹付厚さに応じて前記レーザー照射手段から照射されるレーザー光の色およびレーザー光の点滅の有無の少なくとも一方を確認しながら吹付コンクリートを吹き付けることを特徴とする、トンネル施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トンネル施工における吹付コンクリートの吹付厚管理装置およびトンネル施工方法に関する。
【背景技術】
【0002】
NATM等による山岳トンネルの施工では、機械掘削工法や発破掘削工法によって地山を掘削し、地山の掘削によって露出した地山面を支保工により閉合する。地山面の閉合に使用する支保工は、地山面に沿って建て込まれる鋼製支保工、地山面に吹き付けられる吹付コンクリート、地山に挿入されるロックボルト等を適宜組み合わせて形成される。
吹付コンクリートは、設計(地山等級に応じた支保パターン等)に応じた吹付厚さを確保する必要がある。吹付コンクリートの吹付厚の管理は、吹付面積とリバウンドを考慮したコンクリート量を吹き付けることにより行うのが一般的である。また、吹付け後に、計測孔を削孔して、孔の深さを測定することにより吹付厚を確認する場合もある。しかしながら、吹付コンクリートの施工は、オペレータの技量に依存する部分が大きく、コンクリート量を管理しても、吹付厚にムラが生じる場合がある。また、計測孔を利用した吹付厚の測定は、事後確認であるため、施工中の管理に利用することはできない。
そのため、特許文献1には、吹付けノズルにレーザー装置を取り付け、レーザー装置から照射されたレーザー光の位置を含む画像を複数のカメラにより撮影し、当該画像から三次元座標を算出し、さらに、この三次元座標を利用して予め作成されたメッシュモデル上に撮影した画像を表示手段に表示し、表示手段の画像によりコンクリートの吹付状態を確認しながら吹付け作業を行う管理方法が開示されている。
また、非特許文献1には、吹付マシンに取り付けられたレーザー距離計によりトンネルの鏡面に設定された測点を測定し、吹付厚さが設定した厚さに達すると、緑色のレーザーを測点の近傍に照射する吹付厚さ管理システムが開示されている。オペレータは緑色のレーザー光を目安として、吹付を行う。
【0003】
ところが、特許文献1の管理方法は、複数のカメラやレーザー装置を必要としているとともに、複雑な演算をするための装置を必要としている。そのため、設備が複雑でコストが高く、メンテナンスにも手間がかかる。また、オペレータは、表示手段の画面と吹付面とを見比べながら作業を行う必要があり、手間がかかる。
非特許文献1の吹付厚さ管理システムは、吹付厚さを確保しているか否かを把握できるものの、吹付厚の大きさをオペレータが把握することはできない。そのため、必要以上にコンクリートを吹き付けてしまうおそれがある。また、非特許文献1の吹付厚さ管理システムは、鏡部の吹付厚さを管理することを可能にしているものの、アーチ部(側部)の吹付厚さを管理するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【非特許文献】
【0005】
【文献】宮島保幸、他4名、「トンネル切羽の鏡吹付コンクリート厚さ管理システムの開発」、令和元年度土木学会全国大会第74回年次学術講演会、VI-733
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、簡易な計測器と簡易なシステムにより、トンネル切羽における鏡部とアーチ部に対する吹付コンクリートの吹付厚さをリアルタイムで把握することを可能とし、また、施工時のオペレータの負担を軽減することを可能とした、吹付厚管理装置とこれを利用したトンネル施工方法を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記課題を解決するための本発明の吹付厚管理装置は、トンネル切羽における鏡部およびアーチ部の少なくとも一方に対して任意に設定した計測点までの距離を測定するレーザー距離計と、前記計測点の近傍にレーザー光を照射するレーザー照射手段と、前記レーザー距離計の測定結果から吹付厚さを算出する演算手段と、前記レーザー距離計に装備された傾斜計とを備えている。前記レーザー距離計は、トンネル掘削により露出した地山面までの初期距離と、前記地山面に吹き付けられた吹付コンクリートの表面までの吹付距離を測定する。また、前記傾斜計は、水平面に対するレーザー光の傾斜角度を測定する。また、前記演算手段は、前記初期距離と前記吹付距離と前記傾斜角度に基づいて前記吹付厚さを算出する。さらに、前記レーザー照射手段は、前記吹付厚さに応じてレーザー光の色を変化させるか、またはレーザー光の連続照射と点滅照射を切り替える。
この吹付厚管理装置を利用したトンネル施工方法は、鏡部またはアーチ部に対して任意に設定した計測点に対して、トンネル掘削により露出した地山面までの距離である初期距離値を前記レーザー距離計により測定する初期測定作業と、前記地山面に対して吹付コンクリートを吹き付ける吹付作業とを備えている。前記吹付作業では、前記レーザー距離計により前記吹付コンクリートの表面までの距離である吹付距離値を所定時間毎に測定し、前記初期距離値と前記吹付距離値とトンネル軸方向に対する前記レーザー距離計の角度とを利用して吹付厚さを算出し、前記吹付厚さに応じて前記レーザー照射手段から照射されるレーザー光の色およびレーザー光の点滅の有無の少なくとも一方を確認しながら吹付コンクリートを吹き付ける。
【0008】
かかる吹付厚管理装置およびトンネル施工方法によれば、比較的簡易な装置を利用して吹付コンクリートの吹付厚を管理することができるため、経済的であるとともに、メンテナンス等に要する手間も低減できる。また、オペレータは、レーザー照射手段から照射されたレーザー光の色の変化(色の組み合わせの変化も含む)やレーザー光の点滅の有無によって吹付厚さを把握できるため、必要以上にコンクリートを吹き付けることを抑制できる。
【0009】
前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段が、吹付マシンの操作席の近傍に設置されていれば、前記吹付マシンのオペレータが操作席に座ったまま手を伸ばす、あるいは操作席で立ちあがって手を伸ばすことによりレーザー距離計やレーザー照射手段の向きの微調整ができるため、作業の効率化を図ることができる。
また、前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段が同一の取付部材を介して前記吹付マシンに取り付けられていれば、前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段の微調整等を同時に行うことができる。前記取付部材として、水平角度および鉛直角度の調整が可能で、かつ、前記水平角度および前記鉛直角度を視認可能なものを使用すれば、レーザー距離計およびレーザー照射手段の水平角度および鉛直角度が一目瞭然なため、調整が容易である。
また、前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段が、前面に粉塵防護ガラス材が設けられた防塵筐体に収納されていれば、施工時の粉塵による各機器への影響を最小限に抑えることができる。また、粉塵に対するメンテナンス(粉塵により影響を受けた部品の交換等)も容易である。
【0010】
吹付装置は、前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段の作動を制御するスイッチボックスをさらに備えているのが望ましい。かかるスイッチボックスは、消灯の状態となる停止状態と、全ての前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段が点灯する準備状態と、前記レーザー距離計による測定および前記レーザー照射手段による照射を行う測定状態と、前記レーザー距離計による測定および前記レーザー照射手段による照射を停止する中断状態とに切替可能であるのが望ましい。
前記吹付距離値は、任意に設定した時間ピッチで測定した複数の測定値の移動平均値とし、この吹付距離値を利用して任意に設定した時間毎に前記吹付厚さを判定するとともに、前記レーザー照射手段から照射されるレーザー光の色および点滅の有無を制御するのが望ましい。
なお、トンネル掘削に伴って吹付マシンを移動させた際には、全てのレーザー距離計およびレーザー照射手段を作動させた状態で、前記吹付マシンの位置決めを行うことで、施工サイクル毎の切羽と吹付マシンとの位置関係が同等となるようにする。
【発明の効果】
【0011】
本発明の吹付厚管理装置とこれを利用したトンネル施工方法によれば、簡易な計測器と簡易なシステムにより、トンネル切羽における鏡とアーチ部に対する吹付コンクリートの吹付厚さをリアルタイムで把握することを可能とし、また、施工時のオペレータの負担を軽減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】本発明の実施形態にかかるトンネルの支保構造を示す図であって、(a)は横断図、(b)は縦断図である。
【
図2】本実施形態の吹付厚管理装置を示すブロック図である。
【
図3】吹付マシンを示す図であって、(a)は側面図、(b)はトンネル坑口側から望む正面図である。
【
図4】レーザー距離計およびレーザー照射手段を示す図であって、(a)は正面図、(b)は側面図である。
【
図5】鏡部の吹付厚の算出用の説明図であって、(a)は縦断図、(b)は平面図である。
【
図6】アーチ部の吹付厚の算出用の説明図であって、(a)は横断図、(b)は平面図、(c)は模式図である。
【
図7】吹付厚管理装置のスイッチボックスを示す正面図である。
【
図8】演算手段の入力画面の一例を示す概略図である。
【
図9】他の形態に係るレーザー距離計およびレーザー照射手段を示す図であって、(a)は正面図、(b)は側面図である。
【
図10】その他の形態に係るレーザー距離計およびレーザー照射手段を示す図であって、(a)は正面図、(b)は側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本実施形態では、NATM等の山岳トンネル工法によりトンネルTを施工する場合について説明する。山岳トンネル工法では、地山を掘削してトンネルTの切羽K(トンネルTの先端部)を前進させ、トンネルTの前進により露出した地山を支保工により閉塞する。
図1(a)および(b)に本実施形態のトンネルTの支保構造1を示す。
図1(a)および(b)に示すように、本実施形態のトンネルTの支保構造1は、地山Gに対して吹付けられた吹付コンクリート11と、トンネル軸方向に対して所定の間隔により建て込まれた鋼製支保工12と、地山Gに打設されたロックボルト13により構成されている。本実施形態では、切羽Kにおける作業時の安全性の向上を図るために、吹付コンクリート11を切羽Kの鏡部K1とアーチ部K2に対して吹付ける。吹付コンクリート11は、所定の吹付厚を確保しながら吹付ける必要がある。吹付コンクリート11の施工時の吹付厚の確認(計測)には、吹付厚管理装置2を使用する。
【0014】
図2は、吹付厚管理装置2のブロック図である。吹付厚管理装置2は、
図2に示すように、複数のレーザー距離計3、複数のレーザー照射手段4、演算手段5および制御手段6を備えている。レーザー距離計3、レーザー照射手段4および演算手段5は、制御手段6に接続されている。
制御手段6は、吹付マシン7の操作席71に設けられたスイッチを操作することにより作動し、レーザー距離計3よる距離の測定の開始や、レーザー照射手段4によるレーザー光の照射を制御する。
【0015】
レーザー距離計3は、制御手段6により送信された制御信号を受けて作動し、切羽Kの鏡部K1またはアーチ部K2に対して任意に設定した計測点Pまでの距離を測定する。
図3に切羽K近傍に据え付けられた吹付マシン7を示す。レーザー距離計3は、
図3(a)および(b)に示すように、トンネルTの切羽Kにおける鏡部K1およびアーチ部K2に任意に設定した計測点Pに対してレーザー光を照射し、計測点Pから反射したレーザー光の反射光を受光するまでの時間によりレーザー距離計3から計測点Pまでの距離を算出する。レーザー距離計3による吹付コンクリート11の表面までの距離である吹付距離値の測定は、任意に設定された所定時間毎(本実施形態では10秒毎)に行う。レーザー距離計3の測定結果は、演算手段5に送信される。すなわち、レーザー距離計3は、トンネル掘削により露出した地山面までの初期距離値と、地山面に吹き付けられた吹付コンクリート11の表面までの吹付距離値を測定する。また、レーザー距離計3には、傾斜計が装備されていて、水平面に対するレーザー光の傾斜角度(すなわち、水平面に対するレーザー距離計3の傾斜角度、以下鉛直角度という。)を取得可能である。また、レーザー距離計3には、鉛直軸周りの回転角度(以下、水平角度という。)を取得する手段が備わっている。この手段は、例えば、切羽面の法線(トンネル軸線)を基準線(回転角0度)として、レーザー距離計3の鉛直軸周りの回転角度を取得する。
【0016】
レーザー距離計3は、吹付マシン7の操作席71の近傍に設置されている。そのため、レーザー距離計3は、吹付マシン7のオペレータにより向きの微調整が可能である。レーザー距離計3は、まず、計測点Pに対して、トンネル掘削により露出した地山面までの距離である初期距離値を測定する(初期測定作業)。その後、レーザー距離計3は、吹付コンクリート11の吹付作業中に、計測点Pにおける吹付コンクリート11の表面までの距離を測定する。本実施形態では、複数のレーザー距離計3が設けられていて、鏡部K1に設定された計測点Pに対して距離測定を行うレーザー距離計3と、アーチ部K2に設定された計測点Pに対して距離測定を行うレーザー距離計3とをそれぞれ有している。レーザー距離計3の配置は限定されるものではないが、本実施形態では、鏡部K1の測定を行うレーザー距離計3を操作席71の上側に配設し、アーチ部K2の測定を行うレーザー距離計3を操作席71の側方に配設している。なお、本実施形態では、操作席71の右側に配設されたレーザー距離計3によりトンネルの左側のアーチ部K2の測定を行い、操作席71の左側に配設されたレーザー距離計3によりトンネルの右側のアーチ部K2の測定を行う。こうすることで、トンネル壁面(地山面または吹付表面)に対するレーザー光の入射角度をなるべく大きくして、測定精度をより高める。トンネル壁面とレーザー光との内角が鋭角の場合、反射光が検知し難くなるため、トンネル壁面(アーチ部K2)に対するレーザー光の入射角度はなるべく90°に近い方が望ましい。
【0017】
図4(a)および(b)にレーザー距離計3を示す。レーザー距離計3は、
図4(a)および(b)に示すように、前面に粉塵防護ガラス材32が設けられた第一防塵筐体31に収納されている。第一防塵筐体31は、内部に粉塵等が侵入することがないように密閉されている。第一防塵筐体31は、取付部材8を介して吹付マシン7に取り付けられている。第一防塵筐体31には、レーザー光の照射方向と粉塵防護ガラス材32が直角になるように調整するための角度調整手段(つまみネジ)33が設置されている。粉塵防護ガラス材32は、第一防塵筐体31に対して取り外し可能に設置されている。粉塵防護ガラス材32が粉塵等の付着や傷によりレーザー光を透光し難くなった場合には、第一防塵筐体31から取り外して新しい粉塵防護ガラス材32と交換すればよい。
【0018】
レーザー照射手段4は、制御手段6から送信された信号に応じて計測点Pの近傍にレーザー光を照射する(
図3(a)および(b)参照)。本実施形態では、レーザー照射手段4として、焦点の大きさが鏡面で30mm程度のレーザー光を照射可能なものを使用する。
図4(a)に示すように、レーザー照射手段4は、それぞれ色が異なるレーザー光を照射する2台の投光器41,41を備えている。投光器41のレーザー光の色は限定されるものではないが、粉塵が飛散し、明るさも制限されるトンネル坑内において確認がしやすい赤と緑にするのが望ましい。レーザー照射手段4は、制御手段6から送信された演算手段5の計算結果に基づいた信号に応じて、レーザー光の色を変化(レーザー光を照射する投光器41を選択)、またはレーザー光の連続照射と点滅照射を切り替える。
【0019】
図3(a)および(b)に示すように、レーザー照射手段4は、吹付マシン7の操作席71の近傍に設置されている。そのため、レーザー照射手段4は、吹付マシン7のオペレータの手作業により向きの微調整が可能である。本実施形態では、レーザー距離計3と同数のレーザー照射手段4が設けられている。すなわち、鏡部K1に設定された計測点Pの近傍にレーザー光を照射するレーザー照射手段4と、アーチ部K2に設定された計測点Pの近傍にレーザー光を照射するレーザー照射手段4とをそれぞれ有している。
【0020】
レーザー照射手段4は、
図4(a)および(b)に示すように、前面に粉塵防護ガラス材43が設けられた第二防塵筐体42に収納されている。第二防塵筐体42は、内部に粉塵等が入り込まないように密閉されている。第二防塵筐体42は、取付部材8を介して吹付マシン7に取り付けられている。本実施形態では、第一防塵筐体31と第二防塵筐体42が、取付部材8を挟んで対向するように設けられている。すなわち、レーザー距離計3とレーザー照射手段4は、同一の取付部材8を挟んで上下又は左右に並設されている。第二防塵筐体42には、レーザー光の照射方向と粉塵防護ガラス材32が直角になるように調整するための角度調整手段(つまみネジ)44が設置されている。粉塵防護ガラス材43は、第二防塵筐体42に対して取り外し可能に設置されている。粉塵防護ガラス材43が粉塵等の付着や傷によりレーザー光を透光し難くなった場合には、第二防塵筐体42から取り外して新しい粉塵防護ガラス材43と交換すればよい。
【0021】
演算手段5は、レーザー距離計3の測定結果から吹付厚さを算出する。吹付厚さは、初期距離と吹付距離とレーザー距離計3によるレーザー光の照射角度により算出する。本実施形態の演算手段は、いわゆるパーソナルコンピュータである(
図2参照)。
演算手段5による鏡部K1の吹付厚Lの算出は、以下の手順により行う。
図5は、鏡部K1の吹付厚Lの算出用の説明図であって、(a)は縦断図、(b)は平面図である。
まず、式1により、レーザー距離計3によって測定された初期距離値L1から表面距離値L2を引いて、傾斜厚ΔLを算出する(
図5(a)参照)。
次に、レーザー距離計3(レーザー光)の水平面に対する傾斜角θv(鉛直角度θv)と傾斜ΔLを用いて、式2により水平距離HL(
図5(a)参照)を算出する。
そして、レーザー距離計3(レーザー光)のトンネル軸線方向に対する横方向の傾斜角θh(水平角度θh)と水平距離HLを利用して式3により吹付厚Lを算出する(
図5(b)参照)。
ΔL=L2-L1 ・・・ 式1
HL=ΔL×cosθv ・・・ 式2
L=HL×cosθh ・・・ 式3
【0022】
また、演算手段5によるアーチ部K2の吹付厚Lの計算は、以下の手順により行う。ここで、
図6は、アーチ部K2の吹付厚Lの算出用の説明図であって、(a)は横断図、(b)は平面図、(c)は模式図である。
まず、式4により初期距離値L1から表面距離値L2を引いて、傾斜厚ΔLを算出する(
図6(a)参照)。
次に、水平面に対するレーザー距離計3(レーザー光)の傾斜角θv(鉛直角度θv)と傾斜厚ΔLを用いて、式5により水平距離HLを算出し、式6により高さ方向距離ZLを算出する(
図6(a)参照)。
さらに、水平距離HLと切羽面の法線に対するレーザー距離計3(レーザー光)の傾斜角θh(水平角度θh)を利用して、式7により厚さ方向距離YLを算出する(
図6(b)参照)。
そして、三平方の定理を利用して、式8により吹付厚Lを算出する(
図6(c)参照)。
ΔL=L2-L1 ・・・ 式4
HL=ΔL×cosθv ・・・ 式5
ZL=ΔL×sinθv ・・・ 式6
YL=HL×sinθh ・・・ 式7
L=(YL
2+ZL
2)
1/2 ・・・ 式8
【0023】
吹付厚管理装置2の起動、停止は、操作席71に設けられたスイッチボックス21により行う。
図7にスイッチボックス21の一例を示す。
本実施形態のスイッチボックス21は、
図7に示すように、セレクタスイッチ22と、第一表示灯23と、第二表示灯24を備えている。セレクタスイッチ22を操作することにより、吹付厚管理装置2の状態を設定する。例えば、吹付厚管理装置2に電源を入れた状態で、セレクタスイッチ22の左端(1の位置)に配置すると「停止状態」となり、第一表示灯23および第二表示灯24が消灯の状態となる。セレクタスイッチ22を2の位置に回すと、「準備状態」となり、第一表示灯23のみが点滅し、位置調整のためにすべてのレーザー距離計3およびレーザー照射手段4が点灯する。セレクタスイッチ22を3の位置に回すと、「測定状態」となり、第二表示灯24のみが点灯する。さらに、セレクタスイッチ22を4の位置に回すと、「中断状態」となり、第二表示灯24のみが点滅し、測定中断状態を示す。第一表示灯23と第二表示灯24は、異なる色(例えば、赤と緑)で点灯するのが望ましい。
【0024】
吹付厚管理装置2を利用した吹付コンクリート11の施工方法は、トンネルTを所定長掘進した後、吹付マシン7を切羽近傍の所定の位置に据え付ける。次に吹付厚管理装置2に電源をいれて、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4の向きなどの微調整を行う。このとき、スイッチボックス21のセレクタスイッチ22を2の位置に合わせて準備状態にする。準備状態では、切羽や側壁に照射されたレーザー光の位置等により、吹付厚管理装置2(吹付マシン7)の微調整等を行う。例えば、前施工サイクルにおける鏡面に対するレーザー光の位置関係と同等になるように、鏡面に対して照射されたレーザー光の位置から微調整を行う。レーザー照射手段4同士の位置関係は一定のため、各レーザー光と切羽や壁面との位置関係を調整することで、施工サイクル毎の位置決めが一定になるように微調整を行う。
レーザー距離計3およびレーザー照射手段4の微調整が終わったら、セレクタスイッチ22を3の位置(測定状態)に合わせ、レーザー距離計3により計測点Pにおけるコンクリートを吹き付ける前の初期値を測定する。
【0025】
初期値を測定したら、吹付コンクリート11の吹付を開始する。吹付コンクリート11の吹付作業中は、レーザー距離計3により、所定時間毎(本実施形態では10秒毎)に吹付コンクリート11表面までの距離を測定する。演算手段5は、レーザー距離計3から測定値を入手すると、吹付厚を算出する。演算手段5には、吹付厚に対応する閾値が入力可能である。制御手段6は、演算手段5により算出された吹付厚と、演算手段5に入力された閾値(本実施形態では、30,50,70,90mm)とを比較して、レーザー照射手段4に信号を送信する。レーザー照射手段4は、吹付厚に応じたレーザー光を測定点の近傍に照射する。レーザー照射手段4は、例えば、吹付厚が0~30mmの範囲内のときは赤色のレーザー光を照射し、30~50mmの範囲内は赤色と緑色のレーザー光を照射し、50~70mmの範囲内のときは緑色のレーザー光を照射し、70~90mmの範囲内のときは赤色と緑色のレーザー光を点滅させ、90mmを超えた場合は赤色のレーザー光を点滅させる。
オペレータは、吹付厚さに応じてレーザー照射手段4から照射されるレーザー光の色により、各測定点において地山面に吹付けられた吹付コンクリート11の吹付厚さを確認しながら吹付マシン7を操作する(すなわち、吹付コンクリート11を吹き付ける)。ここで、レーザー光が赤色のときは吹付厚が不十分なため、吹付を継続し、赤と緑が照射されているときは所定の吹付厚に近付いていることから吹付を慎重に行い、緑色になったら、所定の吹付厚を確保したと判断し、吹付を停止する。また、レーザー光が点滅している場合は、所定の吹付厚を超えていることが推測されるため当該測定点付近での吹付を停止する(他の位置で吹付を行う)。
【0026】
吹付厚さは、任意に設定した時間ピッチ(例えば、0.4秒や0.2秒ピッチ)で測定した複数(移動平均サンプル数)の測定値の移動平均値である吹付距離値から算出する。なお、本実施形態では、移動平均サンプル数を250回までとすることが可能とする。
図8に、演算手段5の入力画面の例を示す。制御手段6は、任意に設定した時間毎に吹付厚さを判定し、レーザー照射手段4から照射されるレーザー光の色および点滅の有無を制御する。例えば、0.4秒ピッチで測定を行い、10の測定値により平均値(移動平均値)を算出する場合には、3.6秒毎の移動平均値により判定を行う。閾値判定を細かく実施すると、誤動作の原因となるため、演算手段5は、あらかじめ入力された所定の時間(閾値判定周期)毎に吹付厚と閾値とを比較する。吹付厚の移動平均値に応じて、レーザー照射手段4から照射されるレーザー光の色が変化する。なお、演算手段5は、予め設定された所定の時間(ログ保存周期)まで測定値を保存するように構成されている。
また、演算手段5は、吹付厚が予め入力された異常値フィルタ閾値を超えると、フィルタ機能が作動して、異常値として表示するとともに、異常値を除外した算定が可能となる。異常値フィルタ閾値は、鏡部(切羽)とアーチ部(側壁)に対してそれぞれ入力可能である(
図8参照)。また、異常値フィルタ閾値は、絶対値と相対値の両方にかけることが可能である。
吹付作業中において、装置に不具合が生じるなど、作業を中断する必要が生じた場合には、スイッチボックスのセレクタスイッチ22を4の位置に合わせて中断状態にする。
【0027】
本実施形態の吹付厚管理装置2およびトンネル施工方法によれば、比較的簡易な構成の装置を利用して吹付コンクリート11の吹付厚を管理することができるため、経済的であるとともに、メンテナンス等に要する手間も低減できる。吹付厚の算出は、複数回測定した測定値の平均値(移動平均)から算出するため、機械振動等に起因するデータのばらつき抑制し、より正確なデータによる管理が可能となる。さらに、フィルタ機能によりデータ整理を行うことで、例えばノズルアームの干渉によってレーザー距離計3による測定が妨げられるなど、測定データに異常値が発生した場合であっても、当該データを取り除いたデータ処理を可能としている。
また、オペレータは、レーザー照射手段4から照射されたレーザー光の色の変化(色の組み合わせの変化も含む)やレーザー光の点滅の有無によって吹付厚さをリアルタイムで把握できるため、必要以上にコンクリートを吹き付けることや、吹付厚が不足することを抑制制できる。所定の厚さで鏡部およびアーチ部K2に対して吹付コンクリート11を吹き付けることで、切羽における作業の安全性を向上させることができる。
【0028】
吹付厚管理装置2は、自動的に所定時間毎の吹付厚の測定を行うため、作業員などが切羽に入って吹付厚の計測を行う必要がなく、作業性の向上を図ることができる。
レーザー距離計3およびレーザー照射手段4が、吹付マシン7の操作席71の近傍に設置されているため、吹付マシン7のオペレータが操作席71に座ったまま手を伸ばす、あるいは操作席71で立ちあがって手を伸ばすことによりレーザー距離計3やレーザー照射手段4の向きの微調整ができる。そのため、オペレータが操作席71から離れて、各装置の微調整を行う手間を省略または低減でき、作業の効率化を図ることができる。
【0029】
また、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4は同一の取付部材8を介して吹付マシン7に取り付けられているため、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4の微調整等を同時に行うことができ、作業性に優れている。
また、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4が、防塵筐体31,42に収納されているため、施工時の粉塵による各機器への影響を最小限に抑えることができる。例えば、レーザー距離計3の受光部に粉塵が付着することで測定不能になることを防止できる。また、粉塵に対するメンテナンス(粉塵により影響を受けた粉塵防護ガラス材32,43の交換等)も容易である。
レーザー照射手段4は、計測点Pの近傍にレーザー光を照射することで、レーザー距離計3が誤ってレーザー照射手段4から照射されたレーザー光の反射光を受光することを防止している。
装置の位置決めを全てのレーザー光を点灯させた状態で行うことで、トンネル断面に対する機械の位置を統一させることができる。
【0030】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
支保構造1の構成は限定されるものではなく、地山状況に応じて適宜決定すればよい。例えば、鋼製支保工12やロックボルト13を省略してもよいし、フォアポーリング、AGF、パイプルーフ、薬液注入などの補助工法を付加してもよい。
レーザー距離計3およびレーザー照射手段4の数および配置は適宜決定すればよい。また、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4は、必ずしも同一の取付部材8に設置する必要はない。
前記実施形態では、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4がそれぞれ第一防塵筐体31と第二防塵筐体42とに収納されている場合について説明したが、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4は、
図9(a)および(b)に示すように、同一の防塵筐体30内に並設されていてもよい。
【0031】
また、前記実施形態では、第一防塵筐体31と第二防塵筐体42が、同一の取付部材8を介して連結されている場合について説明したが、第一防塵筐体31と第二防塵筐体42を連結する部材は取付部材8に限定されるものではなく、例えば、
図10(a)および(b)に示すように、ボルト等の治具81であってもよい。
また、レーザー距離計3またはレーザー照射手段4(防塵筐体30)を吹付マシン7に取り付ける取付部材(雲台)8は、
図11に示すように、水平角度および鉛直角度の調整が可能であるのが望ましい。このような取付部材8を使用することで、水平角度または鉛直角度を適宜調整することで、微調整を行う。そのため、装置の水平角度が一目瞭然となる他、位置調整時に鉛直角度のみで調整できるため、初期値で水平角度を登録すれば、その後は自動測定が可能となる。このとき、取付部材8は、水平角度および鉛直角度を視認するための目盛82が付されているのが望ましい。
レーザー距離計3およびレーザー照射手段4は、防塵性を有していれば、防塵筐体に収納されていなくてもよい。
【0032】
前記実施形態では、スイッチボックス21のセレクタスイッチ22を手動で操作するものとしたが、吹付厚管理装置2(スイッチボックス21)は、吹付マシン7と連動していてもよい。例えば、吹付マシン7のアウトリガー張り出しの信号を受信するとセレクタスイッチ22が2の準備状態となり、コンクリート吹付用のポンプ作動の信号を受信することでセレクタスイッチ22が3の測定状態になり、また、運転席の昇降の信号を受信することでセレクタスイッチ22が4の測定中断の状態、さらに、コンプレッサーが停止した際にはセレクタスイッチ22が1の測定終了の状態になるようにしてもよい。
【符号の説明】
【0033】
1 支保構造
11 吹付コンクリート
12 鋼製支保工
13 ロックボルト
2 吹付厚管理装置
3 レーザー距離計
31 第一防塵筐体
32 粉塵防護ガラス材
4 レーザー照射手段
41 投光器
42 第二防塵筐体
43 粉塵防護ガラス材
5 演算手段
6 制御手段
7 吹付マシン
71 操作席
8 取付部材
81 治具
82 目盛
G 地山
K 切羽
K1 鏡部
K2 アーチ部
T トンネル