JP2002097895A - 山岳トンネル用自動掘削装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単に切羽の現在位置を求め、施工能
率を向上させること。 【解決手段】 既知座標点に設置されている自動追尾測
量装置１４で、ターゲット２ａ，１２ｂまでの距離値を
それぞれ求め、これらの値を演算制御器１２ｅに取り込
むとともに、傾斜計１２ｃとジャイロコンパス１２ｄを
介して、ガントリージャンボ１の直交する３軸の捩じれ
量が取り込まれる。演算制御器１２ｅでは、これらの各
測定値に基づいで、ガントリージャンボ１の３次元座標
値と、方位が演算される。これに基づいて、現在の切羽
の位置座標が確定される。切羽の位置座標が演算制御器
１２ｅで求められると、メモリに格納されている情報か
ら対応する掘削断面形状を選択し、選択した掘削断面形
状に基づいて、自由断面掘削装置１０の作動を決定し、
決定された制御信号を、制御部１０ｄに送出する。制御
部１０ｄは、これに基づいてカッタードラム１０ａを制
御して、切羽を設定された断面形状に掘削する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、山岳トンネル用
自動掘削装置に関し、特に、複数のトンネル施工用機械
を搭載したガントリージャンボを用いる山岳トンネル用
の自動掘削装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】山岳トンネルの施工現場では、通常、ロ
ードヘッダーなどの自由断面掘削装置で切羽の掘削が行
われている。この場合、掘削装置を操作する作業員に現
在位置における掘削断面形状を示す必要がある。そこ
で、この種のトンネル工事では、レーザ光線の照射によ
り予め設定される掘削形状を切羽面上に表示するマーキ
ング装置が使用されている。

【０００３】ところで、このような掘削断面の形状は、
トンネル計画線形，設計断面に合わせて表示しなければ
ならないので、掘削の進行に伴って、マーキング装置を
移動して、この移動する度に、マーキング装置の設置位
置の座標や姿勢を測量して調整する必要がある。

【０００４】この場合、通常の山岳トンネルの施工現場
では、切羽後方の施工設備が比較的少ないので、マーキ
ング装置の制御に必要な測量空間を確保することが可能
である。

【０００５】しかしながら、コンクリート吹付け機や穿
孔機などの各種トンネル施工機械類を搭載し、トンネル
軸方向に沿って移動可能なガントリージャンボを採用し
たトンネル工事には、以下に説明する技術的な課題があ
った。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、マーキング
装置をガントリージャンボと切羽との間に設置すると、
ガントリージャンボには、コンクリート吹付け機や穿孔
機などの各種トンネル施工機械類が搭載されているの
で、後方より切羽までを見通せる空間が極めて制限され
ていて、ガントリージャンボを通過してマーキング装置
を視準する後方からの測量が非常に困難な状況になって
いた。

【０００７】また、マーキング装置を掘削の進行に伴っ
て、順次前方に移動させる方式では、測量回数が多くな
り、施工能率の低下要因となっていた。

【０００８】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的とするところは、後
方からの測量が容易で、比較的簡単に切羽の現在位置を
求めることができるとともに、施工能率を向上させるこ
とができる山岳トンネル用自動掘削装置を提供すること
にある。

【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、本発明は、コンクリート吹付け機や穿孔機などの各
種トンネル施工機械類を搭載し、トンネル軸方向に沿っ
て移動可能なガントリージャンボを用いる山岳トンネル
用掘削装置において、前記ガントリージャンボの切羽側
の前端に、前後移動自在で、上下および左右方向に回動
自在な自由断面掘削装置を搭載し、前記ガントリージャ
ンボの後方の既知座標点に設置した追尾型測量装置から
視準が可能なターゲットを少なくとも１つ備え、前記ガ
ントリージャンボの位置座標と方位とを演算する位置，
方位演算装置を設置し、トンネル掘削位置毎に掘削断面
形状を予め設定し、前記追尾型測量装置から前記ターゲ
ットを視準して、前記位置，方位演算装置により、前記
ガントリージャンボの現在位置座標と方位とを求め、求
められた現在位置座標と方位とに基づいて前記掘削断面
形状を選択し、選択された掘削断面形状を掘削するよう
に前記自由断面掘削装置を作動させるようにした。この
ように構成した山岳トンネル用自動掘削装置において
は、ガントリージャンボの切羽側の前端に、前後移動自
在で、上下および左右方向に回動自在な自由断面掘削装
置を搭載し、ガントリージャンボの位置座標と方位とを
演算する位置，方位演算装置を設置し、トンネル掘削位
置毎に掘削断面形状を予め設定し、追尾型測量装置から
ターゲットを視準して、位置，方位演算装置により、ガ
ントリージャンボの現在位置座標と方位とを求め、求め
られた現在位置座標と方位とに基づいて掘削断面形状を
選択し、選択された掘削断面形状を掘削するに自由断面
掘削装置を作動させるので、自動的に予め設定した掘削
断面形状に掘削することができる。この場合、ガントリ
ージャンボの後方の既知座標点に設置した追尾型測量装
置から視準が可能なターゲットを少なくとも１つ備えい
れば、自動掘削が可能であって、しかも、このターゲッ
トは、後方からの測量を阻害しない位置に、容易に設置
することができる。前記位置，方位演算装置は、前記ガ
ントリージャンボに搭載される第１ターゲットと、直交
する３軸の捩れを検出する傾斜計およびジャイロコンパ
スと、演算制御器とを備え、前記第１ターゲットは、前
記ガントリージャンボの後方の既知座標点に設置した前
記追尾型測量装置から視準が可能な個所に設置すること
ができる。前記位置，方位演算装置は、前記ガントリー
ジャンボに搭載される第１および第２ターゲットと、傾
斜計と、演算制御器とを備え、前記第１および第２ター
ゲットは、前記ガントリージャンボの後方の既知座標点
に設置した前記追尾型測量装置から視準が可能な個所に
設置するとともに、前記傾斜計を前記第１および第２タ
ーゲットの中心間を結ぶ線分に対して平行に設置するこ
とができる。前記位置，方位演算装置は、前記ガントリ
ージャンボに搭載される第１〜第３ターゲットと、演算
制御器とを備え、前記第１〜第３ターゲットは、相互位
置が既知で、かつ、前記ガントリージャンボの後方の既
知座標点に設置した前記追尾型測量装置から視準が可能
な個所に設置することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１か
ら図８は、本発明にかかる山岳トンネル用自動掘削装置
の一実施例を示している。

【００１１】これらの図に示した自動掘削装置は、ガン
トリージャンボ１を用いる山岳トンネルの構築工法に適
用されるものであって、ガントリージャンボ１は、門形
鉄鋼構造物であって、トンネルインバートに敷設される
一対のレール２上を、トンネル軸方向に沿って移動自在
に設置される。

【００１２】ガントリージャンボ１の下部には、複数の
走行装置３が取付けられていて、各走行装置３の側部に
伸縮自在なアウトリガー４が設けられている。このアウ
トリガー４を着底させて伸長させることで、ガントリー
ジャンボ１は、レール２から走行装置３を上方に離間さ
せた状態で支持され、この状態でレール２を前方に移動
させて敷設することができる。

【００１３】ガントリージャンボ１は、上部作業床５と
下部作業床６とを備えた２階構造になっていて、上部作
業床５には、クレーン昇降式で伸長可能な一対のマンケ
ージ７と、穿孔機８およびコンクリート吹付けロボット
９や、急結剤やボルト定着剤の供給機などの各種トンネ
ル施工機械類が搭載されている。

【００１４】ガントリージャンボ１の前端側には、自由
断面掘削装置１０が搭載されている。この自由断面掘削
装置１０は、図５〜図７にその詳細を示すように、先端
にカッタードラム１０ａが回転自在に取付けられた主軸
１０ｂと、この主軸１０ｂの支持部材１０ｃと、制御部
１０ｄを有している。

【００１５】主軸１０ｂ内には、カッタードラム１０ａ
の回転駆動用モータや減速機（図示省略）が設けられて
おり、駆動用モータは、制御部１０ｄによりその作動が
制御される。

【００１６】支持部材１０ｃは、取付基部１００ｃと、
この取付基部１００ｃの外周縁に対向するように突設さ
れた一対のアーム１０１ｃおよび一対の取付ブラケット
１０２ｃとを備えていて、取付基部１００ｃは、下部作
業床６の横梁６ａに、水平面内において、図６に示すよ
うに、左右方向に回動自在に支持されている。

【００１７】一対の取付アーム１０１ｃには、主軸１０
ｂの後端側がピン１０ｅを介して、垂直面内において、
上下方向に揺動自在に取付けられている。一対の取付ブ
ラケット１０２ｃには、左右方向の旋回用シリンダ１０
ｆの伸縮端がそれぞれピン結合され、各旋回用シリンダ
１０ｆの他端側は、下部作業床６の横梁６ｃにピンを介
して揺動自在に結合されている。

【００１８】また、主軸１０ｂは、内筒１００ｂと外筒
１０１ｂからなる二重筒構造になっていて、内筒１００
ｂと外筒１０１ｂの両側側面には、一対の伸縮用シリン
ダ１０ｇが付設されている。

【００１９】さらに、主軸１０ｂの後端側の下方には、
これと取付アーム１０１ｃ間に跨るようにして上下移動
用シリンダ１０ｈが渡設されている。このように構成し
た自由断面掘削装置１０では、制御部１０ｄ介して、一
対の伸縮用シリンダ１０ｇを作動させると、主軸１０ｂ
が伸縮して、カッタードラム１０ａが前後方向に移動す
る。

【００２０】また、制御部１０ｄ介して、一対の上下移
動用シリンダ１０ｈを作動させると、主軸１０ｂが垂直
面内に上下方向に移動し、その結果、カッタードラム１
０ａが上下方向に回動移動する。

【００２１】さらに、制御部１０ｄ介して、一対の旋回
用シリンダ１０ｆを作動させると、主軸１０ｂが水平面
内で左右方向に移動し、その結果、カッタードラム１０
ａが左右方向に回動移動する。

【００２２】一方、ガントリージャンボ１には、その位
置座標と方位とを演算する位置，方位演算装置１２が搭
載されている。本実施例の位置，方位演算装置１２は、
ガントリージャンボ１に搭載された一対の第１および第
２ターゲットプリズム１２ａ，１２ｂと直交する３軸
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の捩じれを検出する傾斜計（２軸用）１
２ｃおよびジャイロコンパス１２ｄと、演算制御器１２
ｅとを有している。

【００２３】図８は、これらの位置，方位演算装置１２
の配置関係を、模式的に示したガントリージャンボ１上
に表示したものである。一対の第１および第２ターゲッ
トプリズム１２ａ，１２ｂは、図５ないしは図６に示す
ように、本実施例の場合には、垂直に立設された支柱１
２ｆの上端に固設されていて、ガントリージャンボ１の
後方の既知座標地点に設置される自動追尾測量装置１４
からの視準が可能な位置に設置されている。

【００２４】第１および第２ターゲットプリズム１２
ａ，１２ｂが設置された支柱１２ｅは、図６に示すよう
に、自由断面掘削装置１０が設置された、下部作業床６
の横梁６ｂに固設されている。

【００２５】一対の支柱１２ｆの固設位置は、ガントリ
ージャンボ１の長手軸Ｌ１を中心にして、等間隔の位置
に設置され、この固設位置から自由断面掘削装置１０の
カッタードラム１０ａまでの長さＬ２は、既知となって
いる。

【００２６】傾斜計１２ｃとジャイロコンパス１２ｄと
は、下部作業床６の前端側に設置されている。演算制御
器１２ｅは、ガントリージャンボ１の下部作業床６のほ
ぼ中央部に設けられた中央操作室１６内に設置され、予
め、トンネル掘削位置毎に掘削断面形状を設定し、これ
を読出し可能な情報として記憶するメモリを備え、イン
ターフェイス１２ｇが接続されている。

【００２７】なお、このトンネル掘削位置毎に設定され
る掘削断面形状は、トンネル計画線に沿って抗口から所
定長さ毎に順次設定されるものであって、掘削断面形状
の設定間隔は、例えば、直線区間では、比較的長く、ま
た、曲線区間では、比較的短くなる。

【００２８】このインターフェイス１２ｇには、傾斜計
１２ｃとジャイロコンパス１２ｄとが接続され、演算制
御器１２ｅには、インターフェイス１２ｇを介して、こ
れらの出力信号が入力される。

【００２９】また、インターフェイス１２ｇには、ガン
トリージャンボ１に搭載される無線通信ユニット１２ｈ
が接続されており、無線通信ユニット１２ｈは、自動追
尾測量装置１４で、第１および第２ターゲットプリズム
１２ａ，１２ｂをそれぞれ視準した際の、各ターゲット
プリズム１２ａ，１２ｂまでの距離値と角度とを受信
し、これらの測定値が演算制御器１２ｅに入力される。

【００３０】さらに、インターフェイス１２ｇには、自
由断面掘削機１０の制御部１０ｄが接続され、制御部１
０ｄには、演算制御器１２ｅから自動掘削するための制
御信号が送出される。

【００３１】制御部１０ｄに自動掘削のための制御信号
を送出する際には、以下の手段により、演算制御器１２
ｅでガントリージャンボ１の位置座標および方位が演算
される。

【００３２】この場合の演算は、まず、既知座標点に設
置されている自動追尾測量装置１４で、第１および第２
ターゲットプリズム１２ａ，１２ｂまでの距離値をそれ
ぞれ求め、これとともに、既知座標点を原点とする座標
系に対する第１および第２ターゲットプリズム１２ａ，
１２ｂの偏角を測定し、これらの値を演算制御器１２ｅ
に取り込む。

【００３３】また、演算制御器１２ｅには、傾斜計１２
ｃとジャイロコンパス１２ｄを介して、ガントリージャ
ンボ１の直交する３軸の捩じれ量が取り込まれる。

【００３４】演算制御器１２ｅでは、これらの各測定値
に基づいで、第１および第２ターゲットプリズム１２
ａ，１２ｂが設置されている個所、具体的には、ガント
リージャンボ１の長手軸と第１および第２ターゲットプ
リズム１２ａ，１２ｂの中心を結ぶ線分の交点上の３次
元座標値と、現在ガントリージャンボ１の長手軸Ｌ１が
どの方向を向いている（方位）のかが演算される。

【００３５】このようにして、ガントリージャンボ１の
方位とその設置位置座標が求められると、ガントリージ
ャンボ１の長手軸Ｌ１と第１および第２ターゲットプリ
ズム１２ａ，１２ｂの中心を結ぶ線分の交点の座標値に
カッタードラム１０ａまでの長さＬ２を加算して、現在
の切羽の位置座標が確定される。

【００３６】この場合、ターゲットプリズム１２ａ，１
２ｂは、ガントリージャンボ１の長手軸Ｌ１との間の距
離が既知であれば、必ずしも２個設ける必要はなく、い
ずれか一方でもガントリージャンボ１の方位とその設置
位置座標を求めることができる。

【００３７】このようにして、切羽の位置座標が演算制
御器１２ｅで求められると、メモリに格納されている情
報から対応する掘削断面形状を選択し、選択した掘削断
面形状に基づいて、自由断面掘削装置１０の作動を決定
し、決定された制御信号を、制御部１０ｄに送出する。

【００３８】このような制御信号を受けた制御部１０ｄ
は、これに基づいて旋回用シリンダ１０ｆ，伸縮用シリ
ンダ１０ｇ，上下移動用シリンダ１０ｈの作動を調整し
ながら、カッタードラム１０ａを回転駆動させて、切羽
を設定された断面形状に掘削する。

【００３９】以上の操作は、トンネルの掘削が進行し、
ガントリージャンボ１を前方移動させると順次行われ
る。図１および図３などに符号２０で示した装置は、カ
ッタードラム１０ａで掘削された土砂を掻き寄せるズリ
積込機である。

【００４０】さて、以上のように構成した山岳トンネル
用自動掘削装置によれば、ガントリージャンボ１の切羽
側の前端に、前後移動自在で、上下および左右方向に回
動自在な自由断面掘削装置１０を搭載し、ガントリージ
ャンボ１の位置座標と方位とを演算する位置，方位演算
装置１２を設置し、トンネル掘削位置毎に掘削断面形状
を予め設定し、追尾型測量装置１４から第１および第２
ターゲットプリズム（ターゲット）１２ａ，１２ｂを視
準して、位置，方位演算装置１２により、ガントリージ
ャンボ１の現在位置座標と方位とを求め、求められた現
在位置座標と方位とに基づいて掘削断面形状を選択し、
選択された掘削断面形状を掘削するように自由断面掘削
装置１０を作動させるので、自動的に予め設定した掘削
断面形状に掘削することができ、施工能率の大幅な改善
が可能になる。

【００４１】この場合、ガントリージャンボ１の後方の
既知座標点に設置した追尾型測量装置１４から視準が可
能なターゲットを少なくとも１つ備えいれば、自動掘削
が可能であって、しかも、このターゲットは、後方から
の測量を阻害しない位置に、容易に設置することができ
る。

【００４２】なお、上記実施例の位置，方位演算装置１
２は、上記構成に代えて、ガントリージャンボ１に搭載
される第１および第２ターゲットと、傾斜計と、演算制
御器とで構成し、第１および第２ターゲットを、ガント
リージャンボ１の後方の既知座標点に設置した追尾型測
量装置１４から視準が可能な個所に設置するとともに、
傾斜計を第１および第２ターゲットの中心間を結ぶ線分
に対して平行に設置するようにしてもよい。

【００４３】また、上記実施例の位置，方位演算装置１
２は、上記構成に代えて、ガントリージャンボ１に搭載
される第１〜第３ターゲットと、演算制御器とで構成
し、第１〜第３ターゲットは、相互位置が既知で、か
つ、ガントリージャンボ１の後方の既知座標点に設置し
た追尾型測量装置１４から視準が可能な個所に設置する
ようにしてもよい。

【００４４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
かかる山岳トンネル用自動掘削装置によれば、後方から
の測量が容易で、比較的簡単に切羽の現在位置を求める
ことができるとともに、施工能率を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる山岳トンネル用自動掘削装置の
一実施例を示す装置全体の正面図である。

【図２】図１の上面図である。

【図３】図１のＡ−Ａ矢視図である。

【図４】図１のＢ−Ｂ断面説明図である。

【図５】図１に示した自動掘削装置の要部正面図であ
る。

【図６】図５の上面図である。

【図７】図５のＣ−Ｃ矢視図である。

【図８】図１に示した自動掘削装置の制御系の説明図で
ある。

【符号の説明】

１ ガントリージャンボ ３ 走行装置 ５ 上部作業床 ６ 下部作業床 １０ 自由断面掘削装置 １０ａ カッタードラム １０ｂ 主軸 １０ｃ 支持部材 １０ｄ 制御部 １０ｆ 旋回用シリンダ １０ｇ 伸縮用シリンダ １０ｅ 上下移動用シリンダ １２ 位置，方位演算装置 １２ａ 第１ターゲットプリズム １２ｂ 第２ターゲットプリズム １２ｃ 傾斜計 １２ｄ ジャイロコンパス １２ｅ 演算制御器 １４ 自動追尾測量装置

フロントページの続き (72)発明者 阪本 公明 大阪府枚方市招提大谷１−１−１ 株式会 社大林組大阪機械工場内 (72)発明者 上田 尚輝 東京都港区港南２丁目15番２号 株式会社 大林組本社内 Ｆターム(参考） 2D054 AA01 AB07 AC20 BA23 GA02 GA13 GA17 GA25 GA62 GA82

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンクリート吹付け機や穿孔機などの各
   種トンネル施工機械類を搭載し、トンネル軸方向に沿っ
   て移動可能なガントリージャンボを用いる山岳トンネル
   用掘削装置において、 前記ガントリージャンボの切羽側の前端に、前後移動自
   在で、上下および左右方向に回動自在な自由断面掘削装
   置を搭載し、 前記ガントリージャンボの後方の既知座標点に設置した
   追尾型測量装置から視準が可能なターゲットを少なくと
   も１つ備え、前記ガントリージャンボの位置座標と方位
   とを演算する位置，方位演算装置を設置し、 トンネル掘削位置毎に掘削断面形状を予め設定し、 前記追尾型測量装置から前記ターゲットを視準して、前
   記位置，方位演算装置により、前記ガントリージャンボ
   の現在位置座標と方位とを求め、求められた現在位置座
   標と方位とに基づいて前記掘削断面形状を選択し、選択
   された掘削断面形状を掘削するように前記自由断面掘削
   装置を作動させることを特徴とする山岳トンネル用自動
   掘削装置。
2. 【請求項２】 前記位置，方位演算装置は、前記ガント
   リージャンボに搭載される第１ターゲットと、直交する
   ３軸の捩れを検出する傾斜計およびジャイロコンパス
   と、演算制御器とを備え、 前記第１ターゲットは、前記ガントリージャンボの後方
   の既知座標点に設置した前記追尾型測量装置から視準が
   可能な個所に設置することを特徴とする請求項１記載の
   山岳トンネル用自動掘削装置。
3. 【請求項３】 前記位置，方位演算装置は、前記ガント
   リージャンボに搭載される第１および第２ターゲット
   と、傾斜計と、演算制御器とを備え、 前記第１および第２ターゲットは、前記ガントリージャ
   ンボの後方の既知座標点に設置した前記追尾型測量装置
   から視準が可能な個所に設置するとともに、前記傾斜計
   を前記第１および第２ターゲットの中心間を結ぶ線分に
   対して平行に設置することを特徴とする請求項１記載の
   山岳トンネル用自動掘削装置。
4. 【請求項４】 前記位置，方位演算装置は、前記ガント
   リージャンボに搭載される第１〜第３ターゲットと、演
   算制御器とを備え、 前記第１〜第３ターゲットは、相互位置が既知で、か
   つ、前記ガントリージャンボの後方の既知座標点に設置
   した前記追尾型測量装置から視準が可能な個所に設置す
   ることを特徴とする請求項１記載の山岳トンネル用自動
   掘削装置。