JP2019078663A - 穿孔ナビゲーション装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に記載の穿孔ナビゲーション装置では、発破工法を用いたトンネル工事において、トンネル延長方向における切羽の位置、移動台車の位置、姿勢および向きの情報等、各種情報に基づいて装薬孔の穿孔位置を算出し、算出した装薬孔の位置を表示するようになっている。
一方、一般的に、発破直後のトンネル内空壁は崩壊し易いことから早期に閉合が求められる。そのため、トンネル内空壁を測量する時間が十分にとれない上、人が切羽近傍に立ち入ることを避ける目的から、トンネル内空壁の測量を人が行うことが困難であるという問題がある。また、コンクリート吹付後の内空断面の情報も、その後の覆工作業において重要な情報となるため、記録することが望ましい。しかし、それらを測量すると時間がかかるので実際に行うのは困難であった。
なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。
ブーム6は、ブーム6を水平方向に揺動させるブームスイング9(以下、「第1の可動部9」とも呼ぶ)と、ブーム6を前後に進退動させるブームスライド10(以下、「第2の可動部10」とも呼ぶ)と、ガイドセル8を水平方向に揺動させるガイドスイング11(以下、「第3の可動部11」とも呼ぶ)と、ガイドセル8を垂直方向に揺動させるガイドチルト12(以下、「第4の可動部12」とも呼ぶ)と、ガイドセル8を前後に進退動させるガイドスライド13(以下、「第5の可動部13」とも呼ぶ)とを有する。
穿孔機7は、先端部に穿孔用ビットが設けられた穿孔ロッド14と、穿孔ロッド14の後端部に打撃を付与するドリフタ15とを有する。穿孔機7には、穿孔機7を前後方向(つまりロッド軸方向)に進退動させるフィーダ16が配置されている。これにより、穿孔機7は、オペレータの操作に応じて、穿孔ロッド14の後端部にドリフタ15で打撃力を付与するとともに、前方向に移動することで切羽Kの周壁面の閉合部Hにロックボルト孔Lを穿孔可能になっている。
また、穿孔装置4は、モータ起動スイッチ17と、油圧ポンプ18とを有する。モータ起動スイッチ17は、油圧ポンプ18の起動時(つまり第1〜第5の可動部9〜13に駆動を開始させるとき)にオペレータが押圧するスイッチである。モータ起動スイッチ17は、オペレータが押圧すると、油圧ポンプ18を起動させる信号(以下、「起動信号」とも呼ぶ)を電動モータ19とコントローラ3(後述)とに出力する。
また、本実施形態の穿孔ナビゲーション装置1は、相対情報取得部20〜24と、始動操作検出部25と、穿孔情報記憶部26と、モニタ2と、コントローラ3とを備える。相対情報取得部20〜24は、移動台車5に対する穿孔機7のビットの位置(すなわちビットの相対位置)、姿勢および向きに関する情報(以下、「相対情報」とも呼ぶ)を取得する。そして、相対情報取得部20〜24は、取得した相対情報をコントローラ3に出力する。
また、相対情報取得部22(以下、「垂直角検出部22」とも呼ぶ)は、第4の可動部12に配され、ガイドセル8の垂直方向への揺動角を検出し、その検出結果をコントローラ3に出力する。さらに、相対情報取得部23(以下、「進退量検出部23」とも呼ぶ)は、第2の可動部10に配され、ブーム6の前後方向への進退量を検出し、その検出結果をコントローラ3に出力する。また、相対情報取得部24(以下、「進退量検出部24」とも呼ぶ)は、フィーダ16に配され、ガイドセル8の前後方向への進退量を検出し、その検出結果をコントローラ3に出力する。
閉合部Hに対するロックボルト孔Lの穿孔位置としては、例えば、ロックボルト孔Lの穿孔位置の座標データを用いることができる。また、穿孔エネルギ値としては、例えば、ロックボルト孔Lを穿孔時にドリフタ15に供給される油圧の検出データを用いることができる。モニタ2は、オペレータから視認可能な位置に配置され、コントローラ3が生成した画像(例えば、図2に示すように、これから切羽の鏡に対して穿孔する装薬孔の穿孔作業を支援するための画像)を表示する。
図1に示す例では、油圧検出部30、情報取得部31、穿孔情報算出部32、表示実行部34、記憶実行部35、停止部36および内空壁位置算出部33等は、論理的な機能に着目したハードウェア資源を形式的に表現している。すなわち、図1の表現は、必ずしも半導体チップ上に物理的な領域として独立存在する機能ブロックを意味するものではない。
切羽Kの位置としては、例えば、トンネル起点(0[m])からのトンネル進行長を用いることができる。また、穿孔装置4の位置としては、例えば、穿孔装置4の座標データを用いることができる。情報取得部31とトンネル用総合測量システム40との間の信号等の送信は、例えば、無線LAN(Local Area Network)による無線通信を用いて行われる。
穿孔情報算出部32は、情報取得部31で取得した演算用情報と、水平角検出部20、21、垂直角検出部22および進退量検出部23、24の各検出結果(つまり、相対情報取得部20〜24で取得した相対情報)とに基づき、閉合部Hに対するロックボルト孔Lの穿孔位置座標の情報を算出する。さらに、穿孔情報算出部32は、油圧検出部30で検出された、ドリフタ15に供給される随時の油圧データを取得し、随時の穿孔位置座標の情報とそのときにドリフタ15に供給されている油圧データとを紐付して穿孔情報とする。
そして、穿孔情報算出部32は、算出したロックボルト孔Lの穿孔情報を表示実行部34に出力する。表示実行部34は、穿孔情報算出部32で算出したロックボルト孔Lの穿孔情報に基づき、図2に示すように、ロックボルト孔Lの穿孔位置をモニタ2に表示させる。
さらに、穿孔エネルギ値を監視することにより、当然に、コンクリート吹付後のトンネル内空壁面(つまり、閉合部Hの表面)の位置をも取得することができる。よって、本実施形態では、コンクリート吹付後の内空断面情報も併せて取得するとともに、表示実行部34は、コンクリート吹付後の内空断面情報をモニタ2に、単動または上記トンネル内空壁Sの推測断面Gと計画断面Pとを比較可能に重畳表示可能になっている(例えば図6参照)。
内空壁位置算出部33は、内空壁位置算出処理を実行し、発破後のトンネル内空壁Sおよび閉合部Hの表面を、ロックボルト孔Lの穿孔結果の記録から推測断面Gおよび閉合部Hの表面位置情報としてそれぞれ算出する。ここで、本実施形態では、閉合部Hに対して支保工が入る例を示したが、これに限らず、本発明は、閉合部Hに対して支保工が入らないトンネルに対しても適用できる。
一方、上述したように、本実施形態の穿孔ナビゲーション装置1が装備された穿孔装置4によれば、ロックボルト孔Lの穿孔を行った場合、その穿孔開始位置の座標およびその座標での単位体積を破砕するために使用した穿孔エネルギ値等のロックボルト孔Lの穿孔情報は、システムの穿孔情報記憶部26に記録されているので、その座標およびそのときの穿孔エネルギ値を容易に確認することができる。
ここで、吹付けコンクリートを破砕するのに必要とされる穿孔エネルギはほぼ一定である。そのため、本実施形態の内空壁位置算出処理では、穿孔エネルギの変化点の座標が内空壁の位置であると推測する処理により、内空壁座標(Y2,Z2)を判断する。
そして、その穿孔エネルギ値の変化が所定を超えたときの各ロックボルト孔Lにおける位置座標を、発破直後のトンネル内空壁面である発破後断面に到達した位置座標と判定する。さらに、その判定された各ロックボルト孔Lの位置座標相互を、直線または回帰スプライン等による曲線で締結することにより、発破直後のトンネル内空壁面に近似する推測断面情報を取得する。また、穿孔開始点についても同様であり、ほぼ無負荷の状態から穿孔エネルギー値が急激に上昇したときの位置情報から閉合部Hの表面位置情報、つまり、コンクリート吹付後の内空断面情報を取得できる。よって、穿孔作業をしなくても、ガイドシェルを内空壁にタッチするだけで内空断面情報(推測断面情報)を取得できる。
本実施形態の内空壁位置算出部33は、この処理手順に従い、閉合部Hに対して各ロックボルト孔Lを穿孔するときの穿孔情報に基づいて、発破直後のトンネル内空壁面Sの推測断面情報、および閉合部Hの表面位置情報を算出する。そして、表示実行部34は、図2にも示すように、内空壁位置算出部33で算出した推測断面情報から推測断面Gの画像をモニタに表示させる。同図に示す例では、上述したように、推測断面Gの画像とともに計画断面Pの画像、およびこれから切羽の鏡に対して穿孔する装薬孔の穿孔パターンを併せて重畳表示している。また、閉合部Hの表面位置情報を併せて表示可能になっている。
次に、本実施形態に係る穿孔ナビゲーション装置1の動作および作用効果を説明する。
ところで、トンネルの施工作業では、まず、地山に装薬孔をさく孔をし、その装薬孔内に爆薬を装薬して発破し、その後にズリ出しを行う。これにより、図5に示すように、切羽の未閉合部には、発破直後のトンネル内空壁面Sが周囲に形成される。そして、発破されたトンネル内空壁Sに対しては、図6に示すように、迅速なコンクリートの吹付け作業および支保工Mの建込み作業が行われ、トンネル内空壁面Sが閉合部Hにより閉合される。
具体的には、本実施形態では、閉合部Hにロックボルト孔Lを穿孔するに際し、ブーム6の第1〜第5の可動部9〜13を駆動可能とするために、オペレータは、モータ起動スイッチ17を押圧する。これにより、モータ起動スイッチ17が起動信号を電動モータ19とコントローラ3とに出力する。起動信号が出力されると、電動モータ19が、油圧ポンプ18の駆動を開始する。
演算用情報が送信されると、コントローラ3は、送信された演算用情報を取得し、取得した演算用情報、水平角検出部20、21、垂直角検出部22および進退量検出部23、24の各検出結果、並びに、油圧検出部30による油圧の検出結果に基づき、閉合部Hに対するロックボルト孔Lの穿孔位置、および、そのときにその座標での単位体積を破砕するために使用した穿孔エネルギ値を算出する。
さらに、本実施形態のコントローラ3は、内空壁位置算出部33が、各ロックボルト孔Lが穿孔された全ての位置で、上述した内空壁位置算出処理を実行し、発破後断面に到達した位置座標(Y2,Z2)を直線または曲線で締結して、近似の内空壁情報を取得することができる。
そして、コントローラ3は、図2に示したように、トンネル内空壁Sの推測断面Gと計画断面Pとを比較可能に重畳表示し、併せて、これから切羽の鏡に対して穿孔する装薬孔の穿孔パターンを重畳表示することができる。これにより、これまで取得困難であった内空壁の形状情報を安全に取得可能であり、また、その結果をモニタ2に表示することで、これまで以上に精密な発破施工を実施できる。
つまり、吹付コンクリートは、その全てが閉合部に付着するわけではなく、一部は落下してしまう。これを「リバウンド」と呼ぶが、「リバウンド」は、いわゆる材料ロスとなる。ここで、吐出した総コンクリートの量とリバウンドとの比を「リバウンド率」と呼ぶところ、通常は、リバウンド率は推測値である。
以上説明したように、本実施形態に係る穿孔ナビゲーション装置1は、閉合部に対してロックボルト孔Lを穿孔するときの穿孔情報に基づいて、発破直後およびコンクリート吹付後のトンネル内空壁面(SおよびH)の推測断面情報の少なくとも一方を算出し、その算出した推測断面情報から推測断面G等の画像をモニタ2に表示させるので、発破直後のトンネル内空壁面Sの位置情報を安全に取得できる。
例えば、上記実施形態に係る穿孔ナビゲーション装置1では、内空壁位置算出部33は、ロックボルト孔Lの穿孔情報の取得処理とともに、内空壁位置算出処理を常に自動的に実行する例を示したが、これに限らず、ロックボルト孔Lの穿孔情報の取得処理とは独立して、内空壁位置算出処理を実行してもよい。例えば、オペレータが実行命令を入力したときに実行するようにすることができる。
また、例えば穿孔情報算出部32が、情報取得部31で演算用情報の取得を完了する前に穿孔装置4で穿孔作業が開始された場合には、情報取得部31で過去に取得した演算用情報(例えば、前回取得した演算用情報)と相対情報とに基づき、ロックボルト孔Lの穿孔位置を算出してもよい。
これにより、本変形例に係る穿孔ナビゲーション装置1によれば、例えば、トータルステーション41による移動台車5の位置等の測量が完了する前、つまり演算用情報の取得が完了する前に、穿孔作業が開始され、穿孔情報記憶部26に不確かなロックボルト孔Lの穿孔位置が記憶されても、穿孔情報記憶部26が記憶しているロックボルト孔Lの穿孔位置の精度を向上できる。
2…モニタ
3…コントローラ
4…穿孔装置
5…移動台車
6…ブーム
7…穿孔機
8…ガイドセル
9…第1の可動部(ブームスイング)
10…第2の可動部(ブームスライド)
11…第3の可動部(ガイドスイング)
12…第4の可動部(ガイドチルト)
13…第5の可動部(ガイドスライド)
14…穿孔ロッド
15…ドリフタ
16…フィーダ
17…モータ起動スイッチ
18…油圧ポンプ
19…電動モータ
20…水平角検出部(相対情報取得部)
21…水平角検出部(相対情報取得部)
22…垂直角検出部(相対情報取得部)
23…進退量検出部(相対情報取得部)
24…進退量検出部(相対情報取得部)
25…始動操作検出部
26…穿孔情報記憶部
30…油圧検出部
31…情報取得部
32…穿孔情報算出部
33…内空壁位置算出部
34…表示実行部
35…記憶実行部
36…停止部
40…トンネル用総合測量システム
41…トータルステーション
42…演算制御部
K…切羽
L…ロックボルト孔
LB…ロックボルト
Ls…ロックボルト孔の穿孔開始位置
Le…ロックボルト孔の穿孔終了位置
M…支保工
S…発破後断面(発破直後のトンネル内空壁面)
H…閉合部(コンクリート吹付後のトンネル内空壁面)
P…計画断面
G…推測断面
Claims (5)
- 移動台車に設けられたブームと、該ブームに設けられてロックボルト孔を穿孔可能な穿孔機と、を備えた穿孔装置を用いて行われる、トンネルの施工作業を支援する穿孔ナビゲーション装置であって、
トンネルの閉合部に対するロックボルト孔の穿孔時に取得された穿孔情報のうち、穿孔位置座標とその座標での単位体積を破砕するために使用した穿孔エネルギ値とに基づいて、発破直後またはコンクリート吹付後のトンネル内空壁面の推測断面情報を算出する内空壁位置算出部と、
前記内空壁位置算出部で算出した推測断面情報から推測断面の画像をモニタに表示させる表示実行部と、を備えることを特徴とする穿孔ナビゲーション装置。 - 前記表示実行部は、前記推測断面の画像をモニタに表示するとともに、これから切羽の鏡に対して穿孔する装薬孔の穿孔パターンの画像をモニタに重畳表示する請求項1に記載の穿孔ナビゲーション装置。
- 前記内空壁位置算出部は、周方向に放射状に穿孔される複数のロックボルト孔の全ての穿孔位置において、各ロックボルト孔の穿孔時に取得された穿孔エネルギ値の変化を監視し、その穿孔エネルギ値の変化が所定を超えたときの各ロックボルト孔における前記穿孔位置座標を、発破直後またはコンクリート吹付後のトンネル内空壁面に到達した位置座標と判定するとともに、その判定された各ロックボルト孔における位置座標相互を、直線または曲線で締結することにより、発破直後またはコンクリート吹付後のトンネル内空壁面に近似する推測断面情報を取得する請求項1または2に記載の穿孔ナビゲーション装置。
- 前記トンネルの閉合作業中に穿孔されたロックボルト孔の穿孔位置座標とその座標での単位体積を破砕するために使用した穿孔エネルギ値を穿孔情報として算出する穿孔情報算出部を更に備え、
前記内空壁位置算出部は、前記穿孔情報算出部で算出された各ロックボルト孔の穿孔情報に基づいて、前記発破直後またはコンクリート吹付後のトンネル内空壁面の推測断面情報を算出する請求項1〜3のいずれか一項に記載の穿孔ナビゲーション装置。 - トンネル延長方向における切羽の位置情報と、前記移動台車の位置、姿勢および向きの情報とを取得する基準情報取得部と、
前記移動台車に対する前記穿孔機の位置、姿勢および向きに関する情報を取得する相対情報取得部と、
前記穿孔機のドリフタを駆動する油圧から前記穿孔エネルギ値を取得する油圧検出部と、を更に備え、
前記穿孔情報算出部は、前記基準情報取得部および前記相対情報取得部並びに油圧検出部が取得した情報に基づいて、前記穿孔情報を算出する請求項4に記載の穿孔ナビゲーション装置。
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