JP2001127511A - 遠隔無線起爆システム用送信アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁界エネルギーが小さくても、切羽全面に装
填された無線起爆雷管の全てが安定したエネルギーを受
信することができ、しかも、飛石等によるアンテナ被膜
の損傷を良好に防止する。 【解決手段】 切羽１２に設置され、遠隔操作により発
生した磁界エネルギーを切羽面１２に装填された無線起
爆雷管６に送信することにより、該無線起爆雷管６を起
爆させるようにしたループ状の送信アンテナ２を、全周
にわたって洞壁面に近接配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル掘削など
における発破工法に利用される遠隔無線起爆システム用
送信アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のトンネル掘削などにおける発破掘
削工法は、発破作業として、掘削切羽面の至る所に適正
数量削孔した発破孔に、爆薬と起爆のための雷管を装填
し、多くは結線作業を行った後、最終的に発破を行うも
のであった。発破作業の１行程である結線作業について
は、柔軟な脚線や導火管を接続するために自動化が困難
であり、現在においても作業者が人手で行わざるを得な
い。結線作業を行う現場の切羽近くは、岩盤崩落や落石
等による人身事故の危険性をはらんでおり、安全上の問
題が残されている。

【０００３】特に、露出岩石等による不安定な足場、湧
水や崩落土砂による脚線・導火管の埋没や手もとの照度
不足などの厳しい作業環境において、数１０ないし１０
０個以上の雷管を確実に結線するには、多くの労力と時
間を要しており、発破作業の合理化が切望されてきた。
このようにトンネルや地下空間等の発破作業における切
羽近傍への立ち入りは、上記の通り岩盤の崩落や落石等
の危険性が高いため出来る限り短時間で完了するか、立
ち入りを避けるため一次復工として洞壁にロックボル
ト、支保鋼及び吹付コンクリート等が施された、切羽面
から少なくとも２ｍ以上離れた場所から遠隔で装薬や結
線作業を行うことが望ましい。

【０００４】そこで、このような要望に応えるものとし
て、文献「トンネル用遠隔制御発破システムの開発」
（火薬学会誌，第５８巻第３号，ｐｐ１３８−１４４，
１９９７年）に記載されている通り、山岳トンネルの発
作業の自動化を目的とした、結線作業を必要としない電
磁誘導方式による遠隔制御発破システムが提案されてい
る。この遠隔無線発破システムには、遠隔操作により発
生した磁界エネルギーを切羽面に装填された無線起爆雷
管に送信することにより、該無線起爆雷管を起爆させる
ようにしたループ状の送信アンテナが用いられている。

【０００５】また、装薬作業についても、特開平９−１
２６７００号公報に開示されている通り、爆薬遠隔装填
装置により作業者が遠隔で爆薬を装薬出来るシステムが
提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記文献
「トンネル用遠隔制御発破システムの開発」に記載され
ているループ状の送信アンテナは、切羽面において受信
むらが生じないように、また、飛石によって破損しない
ように、切羽面から十分離して設置されるが、同じく破
損しないように切羽面から十分離して設置されたトンネ
ル上部の換気用ダクト等の設備を回避しなければならな
いので、ループの径を小さくしてある。

【０００７】しかしながら、このようにしても、前記文
献にも掲載されているように、切羽面において受信むら
が生じ、また、飛石等によるアンテナの被覆の損傷を回
避することができないという問題が生じる。更に、受信
むらがあっても起爆むらが起こらないようにするには、
交流磁界のエネルギーを大きくする必要があること、す
なわち供給電力を大きくする必要がある。

【０００８】本発明はこのような問題を解決するために
なされたものであり、磁界エネルギーが小さくても、切
羽全面に装填された無線起爆雷管の全てが安定したエネ
ルギーを受信することができ、しかも、飛石等によるア
ンテナ被膜の損傷を良好に防止することができる遠隔無
線起爆システム用送信アンテナを提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る遠隔無線起爆システム用送信アンテ
ナは、切羽近傍に設置され、遠隔操作により発生した磁
界エネルギーを切羽面に装填された無線起爆雷管に送信
することにより、該無線起爆雷管を起爆させるようにし
たループ状の送信アンテナにおいて、全周にわたって洞
壁面に近接配置したことを特徴とする。

【００１０】ここで、切羽近傍とは、切羽面から３０ｍ
以下の近さのことをいい、望ましくは１０ｍ以下、更に
望ましくは６ｍ以下の近さのことをいう。アンテナの敷
設作業は、雷管の結線作業等と比較するとはるかに安全
且つ容易であり、従って、アンテナの設置位置として切
羽面から０ｍの位置もあり得る。請求項２に係る遠隔無
線起爆システム用送信アンテナは、請求項１において、
ループ形状が多角形であることを特徴とする。多角形と
は、三角形以上をいうが、特に四角形以上が好ましい。

【００１１】請求項３に係る遠隔無線起爆システム用送
信アンテナは、請求項１又は２において、前記洞壁に設
置された部材に周少なくとも一カ所を固定したことを特
徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
を図を参照して説明する。図１に本発明の実施の形態の
一例である送信アンテナを用いた遠隔無線起爆システム
を示す。図１において、符号１は操作コンソール、送信
回路、電力アンプ等（共に図示せず。）の主要回路から
なる操作機であり、この操作機１は、飛石等による破損
の心配のない例えば切羽面１２から１００〜２００ｍ程
離れ、安全対策が施された点火所等に設置される。電力
アンプには電力ケーブル３が接続され、電力ケーブル３
の他端は切羽面１２の近傍に設置されたループ状の送信
アンテナ２に接続され、送信回路からの電流は電力ケー
ブル３を通じて送信アンテナ２に供給される。なお、電
力アンプより電力ケーブルを通して送信アンテナ２に至
る回路に、一個又は数個の共振コンデンサを接続する
と、インダクタンスがキャンセルされて大きな電力を送
ることが可能になる。

【００１３】送信アンテナ２は、全周にわたって洞壁面
に近接配置されて操作機１による遠隔操作により所定の
交流磁界エネルギーを発生するよう設計され、コイルの
巻き数は５０巻き以下、好ましくは３０巻以下とされ
る。導線をコイル状に巻いて作られる送信アンテナ２と
は、単芯の導線を必要回数分巻いて作成することができ
ることは勿論、例えば、１つのケーブル内に複数本の電
力線を有する多芯ケーブルや複数本の電力線が並べて束
ねられたフラットケーブル等を、１つずつ飛ばしてずら
してコネクターや端子ボックス等で接続する事により容
易に作成することが可能である。

【００１４】電流値と巻数の積としては、４０〜５００
ＡＴ（アンペア巻）が実用的であり、更に好ましくは６
０〜４００ＡＴである。電力ケーブル３を通じて送信ア
ンテナ２に供給される電流の交流周波数は、電波法を考
慮して１０ｋＨｚ未満とする。送信アンテナ２の材質
は、アルミニウム、銅、鉄、ニクロム等の金属導体で、
電線、より線、フラットケーブルや多芯ケーブル等のよ
うに交流電流が通電可能なアンテナに適した材料とす
る。

【００１５】図２に無線起爆雷管６を装薬孔内に装填し
た状態を、図３には無線起爆雷管６の回路ブロック図を
それぞれ示す。無線起爆雷管６は、図２に示すように、
岩盤状態によって異なる削孔長数１０ｃｍ〜３ｍの最奥
位置に装填され、無線起爆雷管６と爆薬７は、従来のト
ンネル発破掘削工法と同様に、掘削切羽全面の至る所に
適正数量削孔された多数の装薬孔５に装填され、各装薬
孔５には込物８も同様に装填される。図３に示すよう
に、無線起爆雷管６の受信コイル１６と同コイルに挿入
される高透磁率物質からなるコア１５は、送信アンテナ
２から送信された交流磁界エネルギーを受け、受信コイ
ル１６に起電力を発生する。

【００１６】受信コイル１６にはコンデンサを含む共振
回路１７が接続され、共振現象を利用し、受信コイル１
６に生じる起電力を効率的に電力として取り出す。共振
回路１７に生じた交流電圧は、整流充電回路１８中のダ
イオードにより直流に整流され、定電圧回路１９と起爆
用昇圧充電回路２０の回路内のコンデンサに充電され
る。このコンデンサに蓄えられた電気エネルギで、スイ
ッチ回路２２や必要に応じて起爆時間を制御する全体制
御ＣＰＵ２１を駆動し、起爆用昇圧充電回路２０の電気
エネルギで最終的に電気雷管部２３を起爆する。

【００１７】送信アンテナ２の設置距離が切羽面１２か
ら５．０ｍであるときは、岩盤中の例えば２．５ｍ位置
に装填された無線起爆雷管６の距離を合わせると、送信
アンテナ２から無線起爆雷管６までの伝送距離は７．５
ｍとなる。トンネル掘削工法として多く用いられるＮＡ
ＴＭ工法において、図５に示すロックボルト４は、吹付
コンクリート１４施工後にトンネル掘削断面から放射状
にトンネル全周にわたり一定間隔で、モルタルや樹脂等
の固着材とベヤリングプレート１３とナット１０でトン
ネル内壁に固着される。また、アーチ状の支保鋼１１
は、吹付コンクリート１４とロックボルト４等とともに
トンネルの安定を保つ支保部材の一つであり、想定され
る作用荷重に耐えるように建て込みの間隔が決められて
施工される。

【００１８】ループ形状が三角形の送信アンテナ２を敷
設する場合は、トンネルの頂上付近に位置するロックボ
ルト４のみに固定することもできるが、該ロックボルト
４とトンネル下端両端部付近の二個のロックボルト４の
計３カ所で固定することも可能である。また、ループ形
状が四角形の送信アンテナ２を敷設する場合は、トンネ
ル上方２カ所のロックボルト４に固定する事で幾通りも
の四角形にすることが可能であるが、送信アンテナ２か
ら無線起爆雷管６が離れる箇所が少ない方が良いため、
トンネル円弧の中心点から左右上方にθ＝４５°付近に
位置する二カ所のロックボルト４に固定する事が望まし
い。

【００１９】更に、ループ形状が五角形の送信アンテナ
２を敷設する場合（図１参照）は、トンネル円弧中心点
から左右θ＝１０〜４０°上方、さらに望ましくは左右
上方の固定端から下方に垂れた送信コイル２が最も踏前
すみに近く通る左右θ＝２０〜３０°上方に位置する二
カ所のロックボルト４と、頂上付近に位置するロックボ
ルト４の計３カ所で固定する。このようにすると、固定
箇所が少なく敷設作業が簡便である割には、均一性の高
い磁束密度を確保することができる。

【００２０】ロックボルト４への送信アンテナ２の固定
は、例えば、図４及び図５に示すように、ロックボルト
４のねじ山に合ったボルトを有するねじ込み式アンテナ
固定用フック９を利用する。また、別の敷設方法として
は、支保鋼１１に上記同様の位置にマグネット式のフッ
クを取り付けて送信アンテナ２を固定するようにしても
よい。

【００２１】また、支保鋼１１に予め送信アンテナ２を
埋設したものを利用できれば、トンネル断面に沿って送
信アンテナを敷設することができるので、非常に高い磁
束密度を確保することができる。更に、火薬式の鋲打ち
銃や電気又はエア式の釘打ち機、もしくはアンカーボル
ト他で送信アンテナ２を固定する事も可能であるが、火
工品火薬類取締り法令下で管理される空砲管理の手間
や、エアホースや電源ケーブルが作業性に影響する事も
考えられるため、現場の状況に応じて最適な送信アンテ
ナ２の固定方法を選択する必要がある。

【００２２】上記の説明から明らかなように、この実施
の形態においては、送信アンテナ２をトンネル洞等の天
井、床内、側壁等の内壁、すなわち洞壁に近接して固定
することができるので、切羽全面に対して送信される磁
界エネルギーの分布にむらが起こりにくく、その結果、
送信される磁界エネルギーが小さくても、切羽面全面に
装填された無線起爆雷管６の全てが安定した磁界エネル
ギーを受信することができる。

【００２３】また、送信アンテナ２が洞壁面に近接して
固定されることで、飛石等に対する保護手段を容易に設
けることができるので、飛石等によるアンテナ被膜の損
傷を良好に防止することができる。更に、送信アンテナ
２のループ形状を多角形とすることにより、所定の磁束
密度を維持しつつ、送信アンテナ２を洞壁に固定する箇
所を少なくすることができるので、該送信アンテナ２の
敷設作業を軽減することができる。すなわち、多角形と
は三角形以上のものであるが、送信アンテナ２の頂点の
みを洞壁面に固定することで該送信アンテナ２を設置す
ることができる。また、送信アンテナ２は、特に床面に
底辺を有する五角形であることが望ましい。送信アンテ
ナ２を複合多角形として分割された多角形状のループ状
アンテナを並列に接続することにより、全体としての出
力磁界分布を均一に保ったまま全体としての自己誘導係
数を小さくすることもできる。

【００２４】更に、ロックボルト４や支保鋼１１など、
洞壁に通常設けられていることの多い部材を少なくとも
一つ又は可能な限り多く用いて送信アンテナ２を洞壁面
に固定することにより、アンテナの敷設作業を容易且つ
確実に行うことができ、しかも、固定位置が安定するた
め毎回安定した交流磁界エネルギーを発生する事が可能
となる。

【００２５】

【実施例】次に、ビオサバールの法則に基づき、送信ア
ンテナ２の微小長さを流れる電流によって生ずる磁束密
度分布をコンピュータで数値計算し、その計算結果より
本発明の効果を更に明確にする。本発明に係るループ状
送信アンテナであって、三角形のループ状送信アンテナ
（実施例１）、四角形のループ状送信アンテナ（実施例
２）及び五角形のループ状送信アンテナ（実施例３）を
敷設した時と、同様に本発明に係るループ状送信アンテ
ナであって、１５角形でトンネル内壁に多数固定しトン
ネル断面に沿った形状のループ状送信アンテナ（実施例
４）を敷設した時の磁束密度分布の最大値となる中心か
らの減衰比率を等高線で結んだ磁束密度分布図を図６〜
図９に示す。また、比較例として、火薬学会誌，Ｖｏ
ｌ．５８，Ｎｏ．３，１９９７投稿の「トンネル用遠隔
制御発破システムの開発」文献に開示されている一辺を
３ｍの４角形でトンネル断面に対して小さく巻いたルー
プ状送信アンテナの磁束密度分布図を図１０に示す。

【００２６】計算条件は、一般的な道路用トンネルの形
状として底面から高さ１．７ｍ位置にトンネル円弧中心
点があり、円弧の半径＝を５．８５ｍとした。実施例１
〜４の送信アンテナには、２０巻で電流２０Ａのコイル
電流４００ＡＴを通電し、比較例の送信アンテナには、
上記文献条件通り３８巻で電流７０Ａのコイル電流２６
６０ＡＴで実施例１〜４の送信アンテナの６．６５倍の
コイル電流を通電した。

【００２７】実施例１〜４の図６〜図９及び比較例の図
１０に示す磁束密度計算結果により算出された磁束密度
数値の最大値と最小値の比較を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】実施例１〜４の図６〜図９及び比較例の図
１０より、トンネル断面においては、図中の丸点と矢印
で示した踏前すみの部位が磁束密度の最小値を示し、一
番不利な部位となる事が判る。また、表１の磁束密度数
値の最大値と最小値の比較において、比較例は、実施例
１〜４の６．６５倍ものコイル電流を通電していること
より、最大値は高い値を示しているが、実施例４の３割
り増し程度である。また、最小値については逆に実施例
４よりも小さな値を示しており、非常に高い送信エネル
ギーを用いても比較例に示す小径ループ状送信アンテナ
においては、一番不利な部位となる踏前すみでの磁束密
度を高めることは困難であることが判る。

【００３０】これに対し、実施例１〜４はいずれも一番
不利な部位となる踏前すみでの磁束密度が高く、特にト
ンネル断面に沿った１５角形状で敷設した実施例４の送
信アンテナはトンネル断面に一番近い形状であるため、
磁束密度計算値の最大値が最も高く理想的な磁束密度分
布に近い。また、実施例３の洞壁部への固定箇所が少な
く敷設が容易な５角形の送信アンテナにおいても、磁束
密度計算値は最大値が高く維持され、且つ、一番不利な
部位となる踏前すみでの磁束密度の最小値も高い値が確
保されており良好である。

【００３１】

【発明の効果】上記の説明から明らかなように、請求項
１の発明によれば、送信アンテナを洞壁に近接して固定
することができるので、磁束密度の最大値を高く維持
し、かつ一番不利な部位となる踏前すみでの磁束密度の
最小値も高い値が確保する事が出来るため切羽全面に対
して送信される磁界エネルギーの分布にむらが起こりに
くく、その結果、送信される磁界エネルギーが小さくて
も、切羽面全面に装填された無線起爆雷管の全てが安定
した磁界エネルギーを受信することができるという効果
が得られる。

【００３２】また、送信アンテナが洞壁面に近接して固
定されることで、飛石等に対する保護手段を容易に設け
ることができるので、飛石等によるアンテナ被膜の損傷
を良好に防止することができるという効果が得られる。
請求項２の発明では、請求項１の発明に加えて、送信ア
ンテナのループ形状を多角形とすることにより、所定の
磁束密度を維持しつつ、送信アンテナを洞壁に固定する
箇所を少なくすることができるので、該送信アンテナの
敷設作業を軽減することができるという効果が得られ
る。

【００３３】請求項３の発明では、請求項１又は２の発
明に加えて、ロックボルトや支保鋼など、洞壁に通常設
けられていることの多い部材を少なくとも一つ又は可能
な限り多く用いて送信アンテナを洞壁面に固定すること
により、アンテナの敷設作業を容易且つ確実に行うこと
ができ、しかも、固定位置が安定するため毎回安定した
交流磁界エネルギーを発生することができるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例である送信アンテナ
を用いた遠隔無線起爆システムを説明するための説明図
であり、トンネル内壁を斜線部分でカットした概略斜視
図である。

【図２】切羽面に削孔された装薬孔に無線起爆雷管と爆
薬を装填した状態を示す断面図である。

【図３】無線起爆雷管の回路ブロック図である。

【図４】ねじ込み式アンテナ固定用フックの平面図であ
る。

【図５】トンネル内壁に施工されたロックボルトへねじ
込み式アンテナ固定用フックを取り付けた状態を示す断
面図である。

【図６】ループ形状が３角形の送信アンテナの磁束密度
分布右半面図である。

【図７】ループ形状が４角形の送信アンテナの磁束密度
分布右半面図である。

【図８】ループ形状が５角形の送信アンテナの磁束密度
分布右半面図である。

【図９】トンネル断面に沿ったループ形状が１５角形の
送信アンテナの磁束密度分布右半面図である。

【図１０】比較例のトンネル断面に対して小さく巻いた
ループ形状が４角形の送信アンテナの磁束密度分布右半
面図である。

【符号の説明】

１…操作機 ２…送信アンテナ ３…電力ケーブル ４…ロックボルト ５…装薬孔 ６…無線起爆雷管 ７…爆薬 ８…込物 ９…アンテナ固定用フック １０…ナット １１…支保鋼 １２…切羽面 １３…ベヤリングプレート １４…吹付コンクリート １５…コア １６…受信コイル １７…共振回路 １８…整流充電回路 １９…定電圧回路 ２０…起爆用昇圧充電回路 ２１…全体制御ＣＰＵ ２２…スイッチ回路 ２３…電気雷管部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切羽近傍に設置され、遠隔操作により発
   生した磁界エネルギーを切羽面に装填された無線起爆雷
   管に送信することにより、該無線起爆雷管を起爆させる
   ようにしたループ状の送信アンテナにおいて、全周にわ
   たって洞壁面に近接配置したことを特徴とする遠隔無線
   起爆システム用送信アンテナ。
2. 【請求項２】 ループ形状が多角形であることを特徴と
   する請求項１記載の遠隔無線起爆システム用送信アンテ
   ナ。
3. 【請求項３】 前記洞壁に設置された部材に周の少なく
   とも一カ所を固定したことを特徴とする請求項１又は２
   記載の遠隔無線起爆システム用送信アンテナ。