JP2000213293A

JP2000213293A - コンクリ―ト吹付機

Info

Publication number: JP2000213293A
Application number: JP11017517A
Authority: JP
Inventors: Kanichiro Yamano; 幹市郎山野
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2000-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な操作で円弧状のトンネル壁面に対して
コンクリートを垂直に吹き付けることができるコンクリ
ート吹付機を提供する。【解決手段】（Ａ）予め設定したトンネル断面形状関
数Ａ、吹付距離ｄ、及び機体基準位置Ｄから、トンネル
内壁から吹付距離ｄのノズル位置関数Ｂを演算し、
（Ｂ）自動制御により、ノズル７ａの噴出位置がノズル
位置関数Ｂに位置し、かつ（Ｃ）自動制御又は手動操作
によりノズルの噴出方向がトンネル内壁に直交する向き
に位置決めし、かつ（Ｄ）ヘッド部を周方向へ移動させ
るｔ方向操作と、ヘッド部をトンネル内壁に対して前後
させるｎ方向操作と、ヘッド部をトンネルの長さ方向に
前後させるｚ方向操作とを手動で操作できる半自動制御
装置を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル内面等に
コンクリート等をライニングするためのコンクリート吹
付機に関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネル、坑道、ケーブルダクト等の内
壁をコンクリートやモルタルでライニングする手段とし
ては、従来、図７に模式的に示すエアー吹付手段が用い
られていた。このエアー吹付手段は、コンクリートポン
プと空圧源に連結されたノズル１を有し、圧縮空気に液
体急結剤を混入し、生コンクリートを大量の圧縮空気に
よりノズル１から吹き出し、同時にノズル内で生コンク
リートと急結剤とを混合してトンネル内面等に吹き付け
るようになっている。しかし、かかるエアー吹付手段
は、大量の圧縮空気を使用するため、空圧源の動力が大
きくなるばかりでなく、微細なコンクリートや急結剤を
含む粉塵が大量の圧縮空気により周囲を汚染するため、
作業環境が極めて悪い問題点があった。

【０００３】この問題点を解決するため、例えば、実公
平６−４５５１９号の「投射施工装置」、特開平４−８
３０９６号及び特開平６−２４８８８７号の「混合物投
射施工方法およびその装置」、等の圧縮空気を用いずに
ライニングができるコンクリート吹付手段が提案されて
いる

【０００４】図８は、かかるコンクリート吹付手段の原
理を示す図である。この図に示すように、これらのコン
クリート吹付手段のヘッド部は、高速で回転するインペ
ラ２と、コンクリートと急結剤を攪拌しながらインペラ
２に供給する攪拌スクリュー３とを備え、遠心力により
コンクリートをインペラの接線方向に投射して吹き付け
るようになっていた。従って、このコンクリート吹付機
では、空気を全く使用せず、機械的にコンクリートの吹
き付けができ、これにより粉塵の発生をなくし、良好な
作業環境を得ることができる。更に、このヘッド部を改
良した種々のコンクリート吹付機が本発明の出願人等に
より提案されている（例えば、特開平９−７７０６５
号）。

【０００５】図９は、上述したコンクリート吹付機を用
いたコンクリート吹付工法の模式図である。この図にお
いて、４は主機であり、走行部４ａを有し、後側にはコ
ンクリートポンプ４ｂが設けられている。主機４の前側
にはロボットアーム機構５が設けられている。ロボット
アーム機構５は、この例では、主ビーム５ａ、主ビーム
５ａの伸縮ロッド５ｂに設けられた横振りシリンダ５
ｃ、直動シリンダ５ｄ、直動シリンダのロッド先端に設
けられたベース５ｅ等からなり、ヘッド部７を任意の位
置及び向きに移動できるようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図９に示したコンクリ
ート吹付機において、ヘッド部７の取付られたベース５
ｅは、ロボットアーム機構５によりトンネル断面をｘ−
ｙ平面とする直交座標系（ｘ−ｙ−ｚ）の任意の位置に
位置決めされる。すなわち、主ビーム５ａの上下揺動角
θ₁、直動シリンダ５ｄの上下揺動角θ₂、主ビーム５
ａの水平旋回角δ ₁、直動シリンダ５ｄの水平旋回角δ
₂、及びトンネルの長さ方向（ｚ軸）の移動量ｚによ
り、ベース５ｅの位置をｘ−ｙ−ｚの直交座標系上で位
置決めし、更に、ヘッド部７をベース５ｅに取付られた
アクチュエータ（図示せず）により、ｚ軸に平行な軸を
中心とする横首振り（横振り量：γ）と、ｙ軸に平行な
軸を中心とする縦首振り（縦振り量：ψ）して任意の向
きに向けるようになっていた。

【０００７】しかし、従来の運転操作では、上述したθ
₁，θ₂，δ₁，δ₂，ｚ，γ，ψの７つの変位量をそ
れぞれ独立に手動で操作する必要があり、運転操作が複
雑である問題点があった。また、トンネルのコンクリー
ト吹き付けは、壁面に垂直に吹付けることが付着を良く
するために重要であるが、従来は、運転操作を容易にす
るために、θ₁，θ₂，δ₁，δ₂，ｚを任意に操作し
てｘ−ｙ座標系でヘッド部７を移動し、その位置でヘッ
ド部の横振り量γと縦振り量ψを操作してその位置に近
い壁面にコンクリートを吹き付ける操作手順が通常行わ
れていた。

【０００８】しかし、トンネル壁面の多くは円弧面であ
るため、ｘ−ｙ座標系での移動で壁面に沿って周方向に
ヘッド部を移動することは難しい。このため円弧状の壁
面に対してのヘッド部の横振り及び縦振りを頻繁に行う
首振り操作が多くなり、結果として壁面に対する吹付角
度が垂直でなく、例えば４５°以下となることもあっ
た。そのため、跳ね返りの増加により付着率が低下して
コンクリートの損失が増大するばかりでなく、付着時の
圧密力も低下して品質を低下する問題点があった。

【０００９】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、簡単
な操作で円弧状のトンネル壁面に対してコンクリートを
垂直に吹き付けることができるコンクリート吹付機を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、（Ａ）
予め設定したトンネル断面形状関数Ａ、吹付距離ｄ、及
び機体基準位置Ｄから、トンネル内壁から吹付距離ｄの
ノズル位置関数Ｂを演算し、（Ｂ）自動制御により、ノ
ズルの噴出位置がノズル位置関数Ｂに位置し、かつ
（Ｃ）自動制御又は手動操作によりノズルの噴出方向が
トンネル内壁に直交する向きに位置決めし、かつ（Ｄ）
ヘッド部を周方向へ移動させるｔ方向操作と、ヘッド部
をトンネル内壁に対して前後させるｎ方向操作と、ヘッ
ド部をトンネルの長さ方向に前後させるｚ方向操作とを
手動で操作できる半自動制御装置を備えた、ことを特徴
とするコンクリート吹付機が提供される。

【００１１】本発明の構成によれば、トンネル断面形状
関数Ａと吹付距離ｄとから、ノズルが位置するノズル位
置関数Ｂを演算し、更に、自動制御により、ノズルの噴
出位置がノズル位置関数Ｂに位置しかつノズルの噴出方
向がトンネル内壁に直交する向きに位置決めするので、
手動操作（ｔ方向操作）でヘッド部を周方向へ移動させ
るだけで、トンネル内壁から吹付距離ｄの位置から内壁
に垂直にコンクリートを吹付けることができ、跳ね返り
が低減して付着率が上昇し、かつ付着時の圧密力も増加
して品質が向上する。また、ｎ方向操作でヘッド部をト
ンネル内壁に対して前後させることにより、トンネル内
壁に凹凸がある場合、或いはトンネル断面形状関数Ａと
実際のトンネルとの間に差がある場合でも、手動操作で
最適な吹付距離範囲に容易に維持することができる。更
に、ｚ方向操作でヘッド部をトンネルの長さ方向に前後
させることにより、トンネルの長さ方向の一定の範囲に
同時に容易にコンクリートの吹付けができる。

【００１２】本発明の好ましい実施形態によれば、機体
基準位置Ｄとヘッド部基準位置Ｋとを結ぶ線分ＤＫの長
さＬ、その上下揺動角θ、その水平旋回角δ、ノズル位
置関数Ｂ上の周方向ｔと水平軸Ｘとのなす角αを検出
し、前記ｔ方向操作で指示される向きの所定速度Ｖに対
して、Ｖｃｏｓα＝Ｌｃｏｓθ・ｃｏｓδ・ωｘ．．．
（式１）と、Ｖｓｉｎα＝Ｌｃｏｓθ・ωｙ．．．（式
２）とを満たすように、線分ＤＫの旋回角速度ωｘと揺
動角速度ωｙを自動制御してヘッド部を移動させる。こ
の構成により、ｔ方向操作で、例えば手動レバーの傾き
により指示した方向に所定速度でヘッド部を移動させる
ことができる。

【００１３】また、機体基準位置Ｄで上下揺動及び水平
旋回可能な主ビーム（１２）と、主ブームの先端部で上
下揺動及び水平旋回可能な中間部材（１４）と、中間部
材に取り付けられトンネルの長さ方向に移動可能な水平
ビーム（１６）とを備え、該水平ビームの先端にヘッド
部（７）が取り付けられたコンクリート吹付機におい
て、主ビームの上下揺動角θ₁と中間部材の上下揺動角
θ₂と連動して制御され、これにより水平ビームがトン
ネル軸ｚに平行に維持される。この構成により、水平ビ
ーム（１６）を手動操作なしに常に水平に維持すること
ができる。

【００１４】更に、主ビームの上下揺動角θ₁の変化に
対応して水平ビームがｚ軸方向に連動して移動され、こ
れによりヘッド部が同一平面内に維持される。この構成
により、トンネル軸に対して垂直な平面内にヘッド部を
手動操作なしに位置決めできる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。図１は、本発明によるコンクリート吹付機の全体構
成図である。この図において、７がヘッド部であり、ト
ンネル内壁Ｔにコンクリートを吹き付けるヘッド７ａを
備えている。１１は、例えば主機であり、トンネルに沿
って移動し任意の位置に位置決めされる。１２は主ビー
ムであり、機体基準位置Ｄを中心に上下揺動角θ₁、水
平旋回角δ₁、旋回角速度ωｘ、及び揺動角速度ωｙで
上下揺動と水平旋回ができる。１４は中間部材であり、
中間揺動部材１４ａと中間旋回部材１４ｂからなる。中
間揺動部材１４ａは、主ビーム１２の先端部（図で右端
部）に取り付けられ、上下揺動角θ₂で上下揺動する。
中間旋回部材１４ｂは、中間揺動部材１４ａに取り付け
られ水平旋回角δ₂で水平旋回することができる。Ｓ
は、中間部材１４の基準位置（揺動中間，旋回中心）で
ある。更に、１６は水平ビームであり、中間部材に取り
付けられトンネルの長さ方向（ｚ軸）に移動できる。ヘ
ッド部７はこの水平ビーム１６の先端部（図で右端）に
取り付けられている。

【００１６】更に、ヘッド部７は、図示しないアクチュ
エータにより、ｚ軸を中心とする横首振り（横振り量：
γ）と、ｚ軸に垂直な水平軸（ｙ軸）を中心とする縦首
振り（縦振り量：ψ）ができるようになっている。ま
た、Ｋは、ヘッド部７の基準位置（首振り中心）であ
る。上述した全ての作動は、エンコーダ等を用いて正確
に位置検出できるようになっている。なお、かかるコン
クリート吹付機のビーム構成構成部分を以下、ロボット
アーム１０と呼ぶ。

【００１７】図２は、トンネル断面とロボットアームと
の関係図である。この図において、Ｏはトンネル中心、
Ａはトンネル断面形状をデータ又は式で示すトンネル断
面形状関数、ｄはトンネル内壁からの吹付距離、Ｂはト
ンネル内壁から吹付距離ｄの位置をデータ又は式で示す
ノズル位置関数、ｘ，ｙはトンネル軸に直交する平面の
ヘッド部基準位置Ｋを中心とするｘ−ｙ座標系、ｎはト
ンネル内壁に直交する方向、ｔはｎに直交する周方向、
αはｔとｘ軸とのなす角度、βは線分ＤＫのｙ軸とのな
す角度である。

【００１８】図３は、トンネル断面とロボットアームと
の別の関係図である。この図において、線分ＤＫは、図
１の機体基準位置Ｄとヘッド部基準位置Ｋを結ぶ線分、
θはその上下揺動角、δはその水平揺動角である。線分
ＤＫの長さＬ、上下揺動角θ及び水平揺動角δは、図１
に示した主ビーム１２の長さ、水平旋回角δ₁、旋回角
速度ωｘ、及び揺動角速度ωｙと、中間部材１４ｂの水
平旋回角δ₂と上下揺動角θ₂、及び水平ビーム１６の
ｚ軸方向の移動量から計算することかできる。

【００１９】従って、機体基準位置Ｄとヘッド部基準位
置Ｋとを結ぶ線分ＤＫの長さＬ、その上下揺動角θ、そ
の水平旋回角δ、ノズル位置関数Ｂ上の周方向ｔと水平
軸Ｘとのなす角αを検出し、ｔ方向操作で指示される向
きの所定速度Ｖに対して、Ｖｃｏｓα＝Ｌｃｏｓθ・ｃ
ｏｓδ・ωｘ．．．（式１）と、Ｖｓｉｎα＝Ｌｃｏｓ
θ・ωｙ．．．（式２）とを満たすように、線分ＤＫの
旋回角速度ωｘと揺動角速度ωｙを比例制御弁を用いて
自動制御することによりヘッド部をｔ方向操作で、例え
ば手動レバーの傾きにより指示した方向に所定速度を一
定に維持することができる。

【００２０】図４は、本発明の操作レバーの模式図であ
る。この図において、３本の操作レバーのうち、左端の
１本は切替え式になっており、従来のように線分ＤＫの
上下揺動角θと水平揺動角δを直接手動操作することも
でき、或いは本発明におけるｔ方向操作とｎ方向操作を
手動操作することもできる。中間の操作レバーはｚ方向
操作用、右端の操作レバーは横首振りと縦首振り用であ
る。なお、これらの操作レバーにより、比例制御弁を直
接制御するようになっており、その操作レバーの傾き方
向により、方向が手動で入力される。

【００２１】図５は、ロボットアームの作動時の特性を
示す模式図である。この図に示すように、主ビームの上
下揺動角θ₁の変化に対応して水平ビーム１６がｚ軸方
向に連動して移動し、ヘッド部Ｋを同一平面内に維持す
るようになっている。

【００２２】図６は、本発明によるロボットアームの操
作のフローチャートである。本発明のコンクリート吹付
機は、上述したロボットアームを半自動で制御する半自
動制御装置を備えている。この半自動制御装置は、自動
制御と手動制御とが組み合わされたものである。また、
半自動操作を選択しない場合には、図４の左端の操作レ
バーで従来と同様の手動操作を行うことができる。

【００２３】図６において、二重線で囲む操作は自動操
作であり、一重線で囲む操作は手動操作である。半自動
操作を選択すると、線分ＤＫの長さＬとβを上下揺動角
θ、水平揺動角δ及ｚ方向移動量から演算し、これから
ノズルの移動方向αとノズルの向きをγ＝αとして設定
する。

【００２４】自動制御では、（Ａ）予め手入力等でトン
ネル断面形状関数Ａ、吹付距離ｄ、及び機体基準位置Ｄ
を設定し、これらのデータから、コンピュータ等により
トンネル内壁から吹付距離ｄのノズル位置関数Ｂを演算
する。また、（Ｂ）自動制御により、ノズル７ａの噴出
位置がノズル位置関数Ｂに位置し、かつ（Ｃ）ノズル７
ａの噴出方向がトンネル内壁に直交する向きに常に自動
で位置決めされる。更に、この自動制御と併用して
（Ｄ）ヘッド部を周方向へ移動させるｔ方向操作と、ヘ
ッド部をトンネル内壁に対して前後させるｎ方向操作
と、ヘッド部をトンネルの長さ方向に前後させるｚ方向
操作とが手動で操作できるようになっている。

【００２５】従って、この構成によれば、トンネル断面
形状関数Ａと吹付距離ｄとから、ノズル７ａが位置する
ノズル位置関数Ｂを演算し、更に、自動制御により、ノ
ズルの噴出位置がノズル位置関数Ｂに位置しかつノズル
の噴出方向がトンネル内壁に直交する向きに位置決めす
るので、手動操作（ｔ方向操作）でヘッド部７を周方向
へ移動させるだけで、ヘッド部７がノズル位置関数Ｂに
沿って移動し、吹付距離ｄの位置から内壁に垂直にコン
クリートを吹付けることができる。また、ｎ方向操作で
ヘッド部をトンネル内壁に対して前後させることによ
り、トンネル内壁に凹凸がある場合、或いはトンネル断
面形状関数Ａと実際のトンネルとの間に差がある場合で
も、手動操作で吹付距離を容易に調節することができ
る。更に、ｚ方向操作でヘッド部をトンネルの長さ方向
に前後させることにより、トンネルの長さ方向の一定の
範囲に同時に吹付けができる。

【００２６】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。

【００２７】

【発明の効果】上述したように、本発明のコンクリート
吹付機は、簡単な操作で円弧状のトンネル壁面に対して
コンクリートを垂直に吹き付けることができる等の優れ
た効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるコンクリート吹付機の全体構成図
である。

【図２】トンネル断面とロボットアームとの関係図であ
る。

【図３】トンネル断面とロボットアームとの別の関係図
である。

【図４】本発明の操作レバーの模式図である。

【図５】ロボットアームの作動時の特性を示す模式図で
ある。

【図６】本発明によるロボットアームの操作のフローチ
ャートである。

【図７】従来のエアー吹付手段の模式図である。

【図８】空気を用いない従来のコンクリート吹付手段の
ヘッド部の構成図である。

【図９】先行出願にかかるコンクリート吹付機を用いた
コンクリート吹付工法の模式図である。

【符号の説明】

１ノズル２インペラ３攪拌スクリュー４主機５ロボットアーム機構６コンクリート用パイプ７ヘッド部７ａノズル１０ロボットアーム１１主機１２主ビーム１４中間部材１４ａ中間揺動部材１４ｂ中間旋回部材１６水平ビーム２２ γ角検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）予め設定したトンネル断面形状関
数Ａ、吹付距離ｄ、及び機体基準位置Ｄから、トンネル
内壁から吹付距離ｄのノズル位置関数Ｂを演算し、
（Ｂ）自動制御により、ノズルの噴出位置がノズル位置
関数Ｂに位置、しかつ（Ｃ）自動制御又は手動操作によ
りノズルの噴出方向がトンネル内壁に直交する向きに位
置決めし、かつ（Ｄ）ヘッド部を周方向へ移動させるｔ
方向操作と、ヘッド部をトンネル内壁に対して前後させ
るｎ方向操作と、ヘッド部をトンネルの長さ方向に前後
させるｚ方向操作とを手動で操作できる半自動制御装置
を備えた、ことを特徴とするコンクリート吹付機。
【請求項２】機体基準位置Ｄとヘッド部基準位置Ｋと
を結ぶ線分ＤＫの長さＬ、その上下揺動角θ、その水平
旋回角δ、ノズル位置関数Ｂ上の周方向ｔと水平軸Ｘと
のなす角αを検出し、前記ｔ方向操作で指示される向き
の所定速度Ｖに対して、Ｖｃｏｓα＝Ｌｃｏｓθ・ｃｏ
ｓδ・ωｘ．．．（式１）と、Ｖｓｉｎα＝Ｌｃｏｓθ
・ωｙ．．．（式２）とを満たすように、線分ＤＫの旋
回角速度ωｘと揺動角速度ωｙを自動制御してヘッド部
を移動させることを特徴とする請求項１に記載のコンク
リート吹付機。
【請求項３】機体基準位置Ｄで上下揺動及び水平旋回
可能な主ビーム（１２）と、主ブームの先端部で上下揺
動及び水平旋回可能な中間部材（１４）と、中間部材に
取り付けられトンネルの長さ方向に移動可能な水平ビー
ム（１６）とを備え、該水平ビームの先端にヘッド部
（７）が取り付けられたコンクリート吹付機において、
主ビームの上下揺動角θ₁と中間部材の上下揺動角θ₂
と連動して制御され、これにより水平ビームがトンネル
軸ｚに平行に維持される、ことを特徴とする請求項１に
記載のコンクリート吹付機。
【請求項４】主ビームの上下揺動角θ₁の変化に対応
して水平ビームがｚ軸方向に連動して移動され、これに
よりヘッド部が同一平面内に維持される、ことを特徴と
する請求項３に記載のコンクリート吹付機。