JP2009114761A - 支保工の建て込み方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 精度よく支保工の建て込みを行うことができる支保工の建て込み方法を提供する。
【解決手段】 支保工１を支保工建て込み位置に立て込むにあたり、エレクタ装置によって支保工建て込み位置の近傍まで支保工１の右材１Ａおよび左材１Ｂを搬入する。続いて、右材１Ａおよび左材１Ｂの位置をトータルステーション２によって計測し、それらの位置座標を計測する。また、右材１Ａおよび左材１ＢについてのＹ軸周りおよびＸ軸周りの２方向の傾斜を２軸傾斜計４によって計測する。ここでの計測値によって右材１Ａおよび左材１Ｂの位置座標を補正する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）工法によって造成されるトンネルなどの支保工を建て込む支保工の建て込み方法に関する。

山岳トンネルの掘削などに用いられるＮＡＴＭ工法において支保工を建て込む際には、支保工の建て込み位置を計測し、計測した建て込み位置に支保工を誘導して建て込む。支保工を誘導する際には、エレクタによって支保工を把持して支保工を移動させる。

このような支保工の建て込みを行う際における支保工の建て込み位置を計測するにあたり、従来トータルステーションを用いる位置決め方法がある（たとえば、特許文献１）。この支保工建て込みシステムでは、建て込む支保工の左右および上中央にターゲットを取り付け、このターゲットを自動追尾するトータルステーションを設置し、トータルステーションが測量した距離と予め入力した支保工の設計値とによって支保工の位置を調整するというものである。
特開平７−１３８４２７号公報

上記特許文献１に開示された支保工建て込みシステムでは、支保工の左右および上中央の位置についてのトータルステーションによる自動追尾を行っている。ところが、支保工の左右および上中央の位置についての自動追尾では、支保工の捻れや傾きを正確に把握することができず、その結果、建て込み精度の低下を招くという問題があった。

そこで、本発明の課題は、精度よく支保工の建て込みを行うことができる支保工の建て込み方法を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る支保工の建て込み方法は、トンネルを掘削する際の支保工をトンネル内に建て込むにあたり、位置座標計測手段および傾斜計を用いて支保工を建て込む位置となる支保工建て込み位置を計測し、計測された支保工建て込み位置に対して、支保工を建て込むことを特徴とするものである。

本発明に係る支保工の建て込み方法では、支保工建て込み位置を計測するにあたり、位置座標計測手段のほかに傾斜計を用いている。この傾斜計を用いることにより、建て込み位置のほか支保工の捻れや傾きを正確に把握することができる。したがって、精度よく支保工の建て込みを行うことができる。

ここで、支保工建て込み位置の近傍位置に支保工を配置し、位置座標計測手段および傾斜計を用いて支保工建て込み位置を計測し、その後、近傍位置に配置された支保工の配置位置を微調整することにより、計測された支保工建て込み位置に支保工を建て込む態様とすることができる。

このように、支保工建て込み位置の近傍位置に支保工を配置し、その後支保工の配置位置を微調整して支保工建て込み位置に支保工を建て込むことにより、高い精度で支保工を配置させる際における支保工の移動量を小さくすることができる。したがって、支保工を建て込む際の施工性を向上させることができる。

また、位置座標計測手段がトータルステーションである態様とすることができる。このように、位置座標計測手段としてトータルステーションを用いることにより、支保工建て込み位置を容易に計測することができる。

さらに、トータルステーションから照射されるレーザのターゲットが支保工を把持する把持部材または支保工に取り付けられている態様とすることができる。このように、レーザのターゲットが把持部材または支保工に取り付けられていることにより、トータルステーションによる計測を容易に行うことができる。

また、傾斜計が、支保工を建て込む際に支保工を把持する把持部材または支保工に取り付けられている態様とすることができる。このように、傾斜計が把持部材または支保工に取り付けられていることにより、支保工の捻れや傾斜を精度よく検出することができる。

さらに、自走可能なエレクタ台車と、エレクタ台車に取り付けられ、互いに直交する２本の軸周りにそれぞれ揺動可能であるとともに、伸縮可能であり、先端部に支保工を把持可能とされた把持部材が取り付けられたブームを備えるエレクタ装置における把持部材によって支保工を把持し、ブームを直交する２本の軸に沿って移動させながら支保工建て込み位置に建て込む態様とすることもできる。

このように、エレクタ装置によって支保工を建て込むことにより、支保工の建て込みを容易に行うことができる。

本発明に係る支保工の建て込み方法によれば、精度よく支保工の建て込みを行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。

まず、本実施形態に係る支保工の建て込み方法に用いられる装置について説明する。図１は本発明の実施形態に係る支保工の建て込み方法によってトンネルに支保工を建て込む状況を示す平面図、図２は、その状況をトンネルの坑口方向から見た斜視図である。なお、説明の便宜上、図１に示すように、水平面上におけるトンネルの掘削方向をＸ方向、トンネルの幅方向をＹ方向、鉛直方向をＺ方向と定義して説明する。

図１および図２に示すように、本実施形態に係る支保工の建て込み方法では、トンネルＴ内に支保工１を建て込んでいる。支保工１は、図２に示すように、正面視した形状が略半円弧状をなしている。また、支保工１は、四半円弧形状をなす右材１Ａおよび左材１Ｂを備えており、右材１Ａと左材１Ｂのそれぞれの上端部同士が接続ボルトによって接続されることによって形成されている。なお、図２は、トンネルの内部を示しているが、トンネル自体の描写は省略している。

支保工１を建て込む際には、エレクタ装置１０によって支保工１を把持し、支保工１を移動させながら支保工１を建て込んでいく。エレクタ装置１０は、図１に示すように、自走可能なエレクタ台車１１を備えており、エレクタ台車１１の左右前端部には、それぞれブーム１２が取り付けられている。ブーム１２は、エレクタ台車１１との取り付け位置において、互いに直交する２本の軸であるＺ軸（鉛直軸）周りおよびＹ軸（水平軸）周りに揺動可能とされている。ブーム１２は、油圧によって作動されるＺ軸周り回動機構によってＺ軸周りに回動可能とされ、油圧によって作動されるＹ軸周り回動機構によってＹ軸周りに回動可能とされている。さらに、ブーム１２には、図示しないシリンダ機構が設けられており、このシリンダ機構を作動させることにより、ブーム１２が伸縮する。こうして、ブーム１２は伸縮可能とされている。

また、ブーム１２の先端部には、図３に示す把持装置２０が取り付けられている。把持装置２０は、図４に示すように、支保工１を直接把持する把持部材となる２つのキャッチャ部２１，２２を備えている。キャッチャ部２１，２２は、連結ロッド２３によって連結されており、連結ロッド２３には回動アーム２４が接続されている。

キャッチャ部２１，２２は、図示しない油圧シリンダを備えており、この油圧シリンダを作動させることによってキャッチャ部２１，２２によって支保工１が把持される。また、回動アーム２４は、棒状のジョイント部材２５を介してブーム１２に接続されている。ジョイント部材２５と回動アーム２４との間には油圧シリンダ２６が介在されており、回動アーム２４は、ジョイント部材２５に対してジョイント部材２５の延在方向に沿った軸周りに回動可能とされている。以後、この回動方向をキャッチャ部起伏方向といい、油圧シリンダ２６をキャッチャ部起伏機構という。さらに、ジョイント部材２５とブーム１２とは、ピン２７によってピン接合されており、ジョイント部材２５は、キャッチャ部旋回機構によってブーム１２に対してピン２７周りに回動可能とされている。以後、この回動方向をキャッチャ部旋回方向という。キャッチャ部２１，２２は、キャッチャ部起伏機構およびキャッチャ部旋回機構により、ブーム１２の延在方向に直交する軸周りに回動可能とされている。

また、Ｚ軸周り回動機構、Ｙ軸周り回動機構、キャッチャ部起伏機構、およびキャッチャ部旋回機構には、共通の油圧回路を通じて作動油が供給される。この油圧回路には、作動油供給量調整装置が接続されており、Ｚ軸周り回動機構、Ｙ軸周り回動機構、キャッチャ部起伏機構、およびキャッチャ部旋回機構に供給する作動油の供給量を調整可能とされている。これらの回動機構では、いずれも回転方向への移動を行うため、単独ではキャッチャ部２１，２２をエレクタ台車１１に対して直線方向へ移動させることができない。これに対して、本実施形態では、Ｚ軸周り回動機構、Ｙ軸周り回動機構、キャッチャ部起伏機構、およびキャッチャ部旋回機構に対する作動油の供給量を調整し、これらの回動機構を同時に作動させることにより、エレクタ台車１１に対して、キャッチャ部２１，２２をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿って移動可能としている。

具体的に、図５に示すように、キャッチャ部２１，２２をＺａ方向（Ｚ軸に沿って上昇する方向）に移動させる際には、ブーム１２をＹ軸時計回り方向Ｙｒに回転させ、ブーム１２を伸長してキャッチャ部２１，２２をブーム伸長方向Ｘｆに移動させる。また、キャッチャ部２１，２２をキャッチャ部旋回時計回り方向Ｃ２ｒに回転させる。これらの動作を同時に行う連動動作とすることにより、キャッチャ部２１，２２をＺａ方向に移動させることができる。

また、キャッチャ部２１，２２をＺｂ方向（Ｚ軸に沿って下降する方向）に移動させる際には、ブーム１２をＹ軸反時計回り方向Ｙｌに回転させ、ブーム１２を収縮してキャッチャ部２１，２２をブーム収縮方向Ｘｓに移動させる。また、キャッチャ部２１，２２をキャッチャ部旋回反時計回り方向Ｃ２ｌに回転させる。これらの動作を同時に行う連動動作とすることにより、キャッチャ部２１，２２をＺｂ方向に移動させることができる。

さらに、キャッチャ部２１，２２をＹａ方向（Ｙ軸に沿って右方に移動する方向）に移動させる際には、図５および図６に示すように、ブーム１２をＹ軸反時計回り方向Ｙｌに回転させ、Ｚ軸時計回り方向Ｚｒに回転させる。また、ブーム１２を伸長してキャッチャ部２１，２２をブーム伸長方向Ｘｆに移動させ、キャッチャ部２１，２２をキャッチャ部旋回反時計回り方向Ｃ２ｌおよびキャッチャ部起伏反時計回り方向Ｃ１ｌに回転させる。これらの動作を同時に行う連動動作とすることにより、キャッチャ部２１，２２をＹａ方向に移動させることができる。

また、キャッチャ部２１，２２をＹｂ方向（Ｙ軸に沿って左方に移動する方向）に移動させる際には、図５および図６に示すように、ブーム１２をＹ軸時計回り方向Ｙｒに回転させ、Ｚ軸反時計回り方向Ｚｌに回転させる。また、ブーム１２を収縮してキャッチャ部２１，２２をブーム収縮方向Ｘｓに移動させ、キャッチャ部２１，２２をキャッチャ部旋回時計回り方向Ｃ２ｒおよびキャッチャ部起伏時計回り方向Ｃ１ｒに回転させる。これらの動作を同時に行う連動動作とすることにより、キャッチャ部２１，２２をＹｂ方向に移動させることができる。

さらに、キャッチャ部２１，２２をＸａ方向（Ｘ軸に沿って前進する方向）に移動させる際には、図５および図６に示すように、ブーム１２をＹ軸反時計回り方向Ｙｌに回転させ、Ｚ軸反時計回り方向Ｚｌに回転させる。また、ブーム１２を伸長してキャッチャ部２１，２２をブーム伸長方向Ｘｆに移動させ、キャッチャ部２１，２２をキャッチャ部旋回反時計回り方向Ｃ２ｌおよびキャッチャ部起伏時計回り方向Ｃ１ｒに回転させる。これらの動作を同時に行う連動動作とすることにより、キャッチャ部２１，２２をＸａ方向に移動させることができる。

また、キャッチャ部２１，２２をＸｂ方向（Ｘ軸に沿って後退する方向）に移動させる際には、図５および図６に示すように、ブーム１２をＹ軸時計回り方向Ｙｒに回転させ、Ｚ軸時計回り方向Ｚｒに回転させる。また、ブーム１２を収縮してキャッチャ部２１，２２をブーム収縮方向Ｘｓに移動させ、キャッチャ部２１，２２をキャッチャ部旋回時計回り方向Ｃ２ｒおよびキャッチャ部起伏反時計回り方向Ｃ１ｌに回転させる。これらの動作を同時に行う連動動作とすることにより、キャッチャ部２１，２２をＸｂ方向に移動させることができる。

以上のキャッチャ部２１，２２の移動方向の関係をまとめると、下記の表１のようになる。

さらに、エレクタ台車１１には、作業員が搭乗するための作業員搭乗籠１３が設けられている。作業員搭乗籠１３は、ブーム部材１４によってエレクタ台車１１に接続されており、ブーム部材１４を作動させることにより、上下左右に移動可能とされている。

他方、支保工１の建て込み位置よりもトンネルＴの坑口側の位置には、位置座標計測手段であるトータルステーション２が配置されている。トータルステーション２は、レーザを照射することにより、支保工の建て込み位置を計測する。トータルステーション２は、支保工建て込み位置からトンネルＴの坑口側にある程度の距離、たとえば５５ｍ程度の距離離れた位置に設置される。

さらに、図３に示すように、把持装置２０における第１キャッチャ部２１の背面側には、トータルステーション２から出射されるレーザが照射されるターゲットとなるターゲットプリズム３が取り付けられており、第２キャッチャ部２２には、２軸傾斜計４が取り付けられている。また、ターゲットプリズム３は、支保工１の下端部にも取り付けられている。支保工１の下端部に取り付けられるターゲットプリズム３は、脱着式のものであり、支保工１に対する取り付け、取り外しが可能とされている。トータルステーション２は、ターゲットプリズム３にレーザを照射し、ターゲットプリズム３から反射してきたレーザを受光して距離測定を行う。トータルステーション２は、ターゲットプリズム３に対して常にレーザを照射しており、第１キャッチャ部２１の動きを自動追尾している。

また、２軸傾斜計４は、Ｘ方向およびＹ方向に対する第１キャッチャ部２１におけるＹ軸周りおよびＸ軸周りの２方向の傾斜を計測している。第１キャッチャ部２１が支保工１を把持している状態では、２軸傾斜計４で計測される傾斜角度が支保工１の傾斜角度を意味することになる。

次に、本実施形態に係る支保工の建て込み方法について説明する。支保工を建て込むにあたり、予め支保工を建て込む位置を設計し、支保工建て込み位置として求めておく。支保工建て込み位置を求めたら、エレクタ装置１０によって支保工１の右材１Ａおよび左材１ＢをそれぞれトンネルＴ内に搬入する。そのまま、エレクタ装置１０を自走させ、トンネルＴの切羽近傍における支保工建て込み位置の近傍まで搬送する。支保工建て込み位置の近傍において、右材１Ａおよび左材１Ｂを立設する。

こうして立設した右材１Ａおよび左材１Ｂを支保工建て込み位置の近傍に仮置きする。このとき、仮置きされた右材１Ａおよび左材１Ｂは、エレクタ装置１０におけるキャッチャ部２１，２２に把持された状態とされており、その把持位置は所定の位置で常に一定とされている。その把持位置は、たとえば四半円弧状の右材１Ａ（または左材１Ｂ）の円弧中心部分などとすることができる。もちろん、その他の位置であってもよい。

右材１Ａおよび左材１Ｂを仮置きしたら、トータルステーション２によって第１キャッチャ部２１および支保工１に設けられたターゲットプリズム３を視準し、右材１Ａおよび左材１Ｂの位置を計測する。また、第２キャッチャ部２２に設けられた２軸傾斜計４によって、右材１Ａおよび左材１Ｂの傾斜を計測する。

トータルステーション２における計測は、ターゲットプリズム３を自動追尾することによって行われる。１台のトータルステーション２で複数のターゲットプリズム３を自動追尾することから、自動追尾の際には、数秒おきに複数のターゲットプリズム３を順に視準して計測を行う。右材１Ａおよび左材１Ｂのそれぞれにおける２箇所に設けられたターゲットプリズム３を視準することにより、右材１Ａおよび左材１Ｂのそれぞれの位置座標を計測することができる。

ここで、右材１Ａおよび左材１Ｂのそれぞれにおいて、２点の位置座標を計測するのみでは、右材１Ａおよび左材１Ｂの取り付けに捻れや傾きが生じた場合に、右材１Ａおよび左材１Ｂの建て込みが設計どおりに行われたことを確認することができない。この点、本実施形態では、第２キャッチャ部２２に２軸傾斜計４が設けられており、第２キャッチャ部２２を介して右材１Ａおよび左材１Ｂの傾斜を計測している。ここで計測された傾斜によって、トータルステーション２において計測された支保工１の位置を補正することにより、右材１Ａおよび左材１Ｂの位置を正確に計測することができる。

ところで、右材１Ａおよび左材１Ｂの傾斜を計測するにあたり、右材１Ａおよび左材１Ｂに２軸傾斜計４を取り付けようとすると、右材１Ａおよび左材１Ｂの上方位置に取り付ける必要があることから、その取り付けが困難となる。この点、本実施形態では、２軸傾斜計４を把持装置２０における連結ロッド２３に取り付けている。このため、２軸傾斜計４の取り付けを容易に行うことができる。その後、右材１Ａと左材１Ｂとを接続ボルトによって接続することにより、支保工１の建て込みが完了する。

具体的に支保工１を建て込む手順は、次のようになる。まず、支保工１の右材１Ａを建て込む際、トータルステーション２で右材１Ａおよび右材１Ａを把持する第１キャッチャ部２１に取り付けられたターゲットプリズム３を自動追捕測量し、支保工建て込み位置とのずれ量を、無線ＬＡＮを介して送信して、エレクタ装置１０に設けられたモニタ上に表示する。エレクタ装置１０を操作するオペレータは、モニタの表示を見ながらキャッチャ部２１，２２の位置を調整し、ターゲットプリズム３で計測される位置および２軸傾斜計４で計測される傾斜が設計値と一致するまでキャッチャ部２１，２２を操作して右材１Ａを建て込む。このとき、キャッチャ部２１，２２は、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸のそれぞれに沿った方向に直線的に移動させることができるので、キャッチャ部２１，２２の移動操作を容易に行うことができる。

また、同様の手順によって左材１Ｂの建て込みを行う。右材１Ａの建て込みと左材１Ｂの建て込みはほぼ同時に行う。右材１Ａおよび左材１Ｂの建て込みが完了した後、右材１Ａと左材１Ｂのそれぞれの上端部を接続ボルトで接続することにより、支保工１の建て込みが完了する。

あるいは、支保工建て込み位置の近傍において、右材１Ａと左材１Ｂとの接続を行って支保工１を組み立てた後、支保工１を移動させて支保工１の建て込みを行うこともできる。この場合、右材１Ａまたは左材１Ｂのターゲットプリズム３をトータルステーション２で自動追従測量し、支保工建て込み位置とのずれ量を、無線ＬＡＮを介して送信して、エレクタ装置１０に設けられたモニタ上に表示する。エレクタ装置１０を操作するオペレータは、モニタの表示を見ながらキャッチャ部２１，２２の位置を調整し、ターゲットプリズム３で計測される位置および２軸傾斜計４で計測される傾斜が設計値と一致するまでキャッチャ部２１，２２を操作して支保工１を建て込む。こうして、支保工１の建て込みが完了する。

このように、本実施形態に係る支保工の建て込み方法においては、支保工１を支保工建て込み位置に建て込むにあたり、トータルステーション２で計測した位置を、２軸傾斜計４で計測した傾斜によって補正している。このため、支保工１に捻れや傾きなどを生じさせることなく、支保工１の建て込みを行うことができる。したがって、精度よく支保工の建て込みを行うことができる。

また、支保工１の建て込みを行うにあたり、支保工１を支保工建て込み位置の近傍まで搬送した後、トータルステーション２や２軸傾斜計４を用いた微調整を行っている。このため、支保工１の微調整を行う際の移動量を少なくすることができるので、支保工１を建て込む際の施工性を向上させることができる。さらに、本実施形態では、エレクタ装置１０における支保工１を把持するキャッチャ部２１，２２をＸ−Ｙ−Ｚ軸のそれぞれに沿って移動可能としている。このため、支保工１の移動をスムースに行うことができ、その分施工性の向上に寄与することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記の実施形態では、自動追従によってトータルステーション２による位置計測を行っているが、その都度計測を行う態様とすることができる。また、上記実施形態では、第１キャッチャ部２１や支保工１等にターゲットプリズム３を設けるようにしているが、トータルステーション２としていわゆるノンプリズムトータルステーションを用いる場合には、ターゲットプリズム３を設けない態様とすることもできる。

さらに、上記実施形態では、位置計測手段としてトータルステーションを用いているが、光波測距離儀やトランシットを組み合わせるなどした位置計測手段を用いることもできる。また、上記実施形態では、傾斜計として２軸傾斜計４を用いているが、Ｘ−Ｙ−Ｚの各方向への傾斜を計測できる３軸傾斜計を用いることもできる。

トンネルに支保工を建て込む状況を示す平面図である。 図１の状況をトンネルの坑口方向から見た斜視図である。 把持装置の斜視図である。 把持装置で支保工を把持する状態を示す背面図である。 キャッチャ部の動きを説明するためのエレクタ装置の側面図である。 キャッチャ部の動きを説明するためのエレクタ装置の平面図である。

符号の説明

１…支保工
１Ａ…右材
１Ｂ…左材
２…トータルステーション
３…ターゲットプリズム
４…２軸傾斜計
１０…エレクタ装置
１１…エレクタ台車
１２…ブーム
１３…作業員搭乗籠
１４…ブーム部材
２０…把持装置
２１…第１キャッチャ部
２２…第２キャッチャ部
２３…連結ロッド
２４…回動アーム
２５…ジョイント部材
２６…油圧シリンダ
２７…ピン

Claims (6)

1. トンネルを掘削する際の支保工を前記トンネル内に建て込むにあたり、
   位置座標計測手段および傾斜計を用いて前記支保工を建て込む位置となる支保工建て込み位置を計測し、
   計測された支保工建て込み位置に対して、前記支保工を建て込むことを特徴とする支保工の建て込み方法。
2. 前記支保工建て込み位置の近傍位置に前記支保工を配置し、
   前記位置座標計測手段および傾斜計を用いて前記支保工建て込み位置を計測し、
   その後、前記近傍位置に配置された前記支保工の配置位置を微調整することにより、計測された支保工建て込み位置に前記支保工を建て込む請求項１に記載の支保工の建て込み方法。
3. 前記位置座標計測手段がトータルステーションである請求項１または請求項２に記載の支保工の建て込み方法。
4. 前記トータルステーションから照射されるレーザのターゲットが前記支保工を把持する把持部材または前記支保工に取り付けられている請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の支保工の建て込み方法。
5. 前記傾斜計が、前記支保工を建て込む際に前記支保工を把持する把持部材または前記支保工に取り付けられている請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の支保工の建て込み方法。
6. 自走可能なエレクタ台車と、前記エレクタ台車に取り付けられ、互いに直交する２本の軸周りにそれぞれ揺動可能であるとともに、伸縮可能であり、先端部に前記支保工を把持可能とされた把持部材が取り付けられたブームを備えるエレクタ装置における前記把持部材によって前記支保工を把持し、
   前記ブームを前記直交する２本の軸に沿って移動させながら前記支保工建て込み位置に建て込む請求項１〜請求項５のうちのいずれか１項に記載の支保工の建て込み方法。

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