JP2020033723A - コンクリート材料吹付装置及び吹付方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吹付厚さを確保しつつ仕上がり面を一定の精度で平滑にする。【解決手段】コンクリート材料吹付装置１００は、トンネルＴの内壁面の断面形状を計測する３Ｄスキャナ１０と、ノズル２１からコンクリート材料を噴射してトンネルＴの内壁面に吹付ける吹付機２０と、３Ｄスキャナ１０及び吹付機２０を制御するコントローラ６０と、を備え、コントローラ６０は、３Ｄスキャナ１０により計測された断面形状と、予め定められたトンネルＴの設計内壁面の断面形状と、に基づいて、予め定められた複数の区画ごとに必要吹付厚さを算出し、算出された必要吹付厚さに基づいて吹付機２０を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリート材料をトンネルの内壁面へ吹付ける装置及び吹付ける方法に関する。

山岳トンネルの施工に主に用いられるＮＡＴＭ工法では、発破工程、ズリ出し工程、及びコンクリート材料吹付工程を所定距離ごとに繰返すことにより、トンネルを軸方向に構築していく。ズリ出し工程後に剥出しになった地山の内壁面は崩落するおそれがあり、危険である。コンクリート材料吹付工程は、地山の内壁面を安定させるために行われ、具体的には、地山の内壁面にコンクリート材料を吹付けることにより地山の内壁面を安定させる。地山の内壁面の安定性は、コンクリート材料の吹付厚さの影響を受けるので、コンクリート材料の吹付厚さを把握し管理することが求められる。

特許文献１には、コンクリート材料吹付け前後のトンネルの内空断面形状に基づいて吹付厚さを管理する方法が開示されている。コンクリート材料吹付け前の内空断面形状は、地山の内空断面形状であり、コンクリート材料吹付け前後の内空断面形状を比較することにより、吹付厚さを算出する。算出された吹付厚さが所定の厚さ未満の場合には、吹付厚さが所定の厚さ以上となるように、コンクリート材料をトンネルの内壁面に追加的に吹付ける。

特開２００３−１３６９９号公報

ところで、コンクリート材料吹付工程では、吹付後のトンネルの内周面（仕上がり面）を平滑にすることが求められる。ズリ出し工程後の地山の内壁面には凹凸が形成されているので、仕上がり面を平滑にするためには、地山の内壁面の凹凸に応じて吹付厚さを変化させる必要がある。

しかしながら、特許文献１に開示される方法では、地山の内壁面の凹凸に関わらず吹付厚さが略一定となるようにコンクリート材料が地山の内壁面に吹付けられる。そのため、仕上がり面には、地山の内壁面に応じて凹凸が形成される。仕上がり面を平滑にするためには、作業員が吹付機を操作してコンクリート材料をトンネルの内壁面に吹付ける必要がある。作業員による吹付作業は、作業員の熟練度によるところが大きく、作業員によって仕上がり面の平滑さが異なるといった問題がある。

本発明は、吹付厚さを確保しつつ仕上がり面を一定の精度で平滑にすることを目的とする。

本発明は、トンネルの内壁面にコンクリート材料を吹付けるコンクリート材料吹付装置であって、内壁面の断面形状を計測する計測部と、ノズルからコンクリート材料を噴射して内壁面に吹付ける吹付機と、計測部及び吹付機を制御する制御部と、を備え、制御部は、計測部により計測された断面形状と、予め定められたトンネルの設計内壁面の断面形状と、に基づいて、予め定められた複数の区画ごとに必要吹付厚さを算出し、算出された必要吹付厚さに基づいて吹付機を制御する。

また、本発明は、吹付機のノズルからコンクリート材料を噴射してトンネルの内壁面に吹付けるコンクリート材料吹付方法であって、内壁面の断面形状を計測する計測ステップと、計測された断面形状と、予め定められた設計断面形状と、に基づいて、予め定められた複数の区画ごとに必要吹付厚さを算出する算出ステップと、算出された必要吹付厚さに基づいて吹付機を制御してコンクリート材料を内壁面に吹付ける吹付ステップと、を備える。

本発明によれば、吹付厚さを確保しつつ仕上がり面を一定の精度で平滑にすることができる。

本発明の実施形態に係るコンクリート材料吹付装置の側面図である。 ズリ出し工程後のトンネルの内壁面と予め定められたトンネルの設計内壁面とを示す図である。 吹付機のノズルの周辺を示す拡大図であり、（ａ）は、トンネルＴの切羽に沿って見た図であり、（ｂ）は、トンネルＴの軸方向に沿って見た図である。 コントローラのブロック図である。 コンクリート材料の吹付厚さと、前記ノズルから噴射されるコンクリート材料の吹付パラメータと、の関係を示す図である。 コントローラによる処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るコンクリート材料吹付装置１００及びコンクリート材料吹付方法について説明する。ここでは、ＮＡＴＭ工法において用いられるコンクリート材料吹付装置１００及びコンクリート材料吹付方法を、図１から図６を参照して説明する。

ＮＡＴＭ工法では、爆薬を用いて地山の岩を砕く発破工程、発破工程において砕かれた岩等を搬出するズリ出し工程、及び地山の内壁面ＲＳにコンクリート材料を吹付けるコンクリート材料吹付工程を例えば１〜３ｍごとに繰り返すことにより、トンネルＴを軸方向に構築する。コンクリート材料吹付工程では、図１に示すように、ズリ出し工程後に剥出しになった地山の内壁面ＲＳにコンクリート材料を吹付ける。

剥出しになった地山の内壁面ＲＳは崩落するおそれがあり、危険である。コンクリート材料の吹付けは、地山の内壁面ＲＳを安定させるために行われる。具体的には、地山の内壁面ＲＳにまだ固まっていない状態のコンクリート材料を吹付け、吹付けたコンクリートが硬化してコンクリート構造体１を形成することにより地山の内壁面ＲＳを安定させる。コンクリート材料は、例えば、水中不分離性コンクリートや高流動コンクリートである。モルタルをコンクリート材料として用いてもよい。また、コンクリート材料の吹付けに際して、吹付けたコンクリートの硬化を促進するため、便宜、急結剤が添加される。

地山の内壁面ＲＳは、コンクリート材料の吹付厚さが厚いほど安定するため、コンクリート材料の吹付厚さをできるだけ厚くすることが望ましい。一方で、コンクリート材料の吹付厚さを厚くすると、構築後のトンネルＴの内部空間が縮小する。そのため、コンクリート材料吹付工程では、所定の値以上の吹付厚さでかつ予め定められたトンネルＴの設計内壁面を越えないようにコンクリート材料を地山の内壁面ＲＳに吹付けることが求められる。

コンクリート材料吹付装置１００及びコンクリート材料吹付方法は、地山の内壁面ＲＳの断面形状と、予め定められたトンネルＴの設計内壁面の断面形状と、に基づいて、コンクリート材料を地山の内壁面ＲＳに吹付ける。これにより、所定の値以上の吹付厚さでかつ予め定められたトンネルＴの設計内壁面を越えないようにコンクリート材料を地山の内壁面ＲＳに吹付けることができる。

また、コンクリート材料の吹付けによって形成されるコンクリート構造体１の内壁面１ａには、トンネルＴ内への地下水の流入を防ぐために、防水シート（図示省略）が貼られる。コンクリート構造体１の内壁面１ａに凹凸があると、防水シートと内壁面１ａとの間に隙間が形成され、所望の防水性能を得られないおそれがある。このような理由から、コンクリート材料吹付工程では、コンクリート構造体１の内壁面１ａを平滑に仕上げることが要求される。

発破工程及びズリ出し工程において地山の内壁面ＲＳを平滑にすることは困難であり、図１及び図２に示すように、ズリ出し工程後の地山の内壁面ＲＳには凹凸が形成されているのが通常である。そのため、コンクリート構造体１の内壁面１ａを平滑に仕上げるためには、地山の内壁面ＲＳの断面形状に応じて吹付厚さを変化させる必要がある。

コンクリート材料吹付装置１００及びコンクリート材料吹付方法は、地山の内壁面ＲＳの断面形状に応じて吹付厚さを変化させるように地山の内壁面ＲＳにコンクリート材料を吹付ける。したがって、コンクリート構造体１の内壁面１ａを平滑に仕上げることができる。以下、コンクリート材料吹付装置１００及びコンクリート材料吹付方法を具体的に説明する。

図１に示すように、コンクリート材料吹付装置１００は、計測部としての３Ｄスキャナ１０と、ノズル２１からコンクリート材料を噴射する吹付機２０と、３Ｄスキャナ１０及び吹付機２０を制御する制御部としてのコントローラ６０と、を備える。

３Ｄスキャナ１０は、トンネルＴの内壁面の断面形状を計測する。コンクリート材料が地山の内壁面ＲＳに吹付けられておらず地山の内壁面ＲＳが露出している状態では、３Ｄスキャナ１０は、地山の内壁面ＲＳの断面形状をトンネルＴの内壁面の断面形状として計測する。コンクリート材料が地山の内壁面ＲＳに吹付けられコンクリート構造体１によって地山の内壁面ＲＳが覆われている状態では、３Ｄスキャナ１０は、コンクリート構造体１の内壁面１ａの断面形状をトンネルＴの内壁面の断面形状として計測する。

吹付機２０は、台車２２と、コンクリート材料をノズル２１に圧送する圧送手段としてのコンクリートポンプ２３と、コンクリート材料に急結剤を添加する添加手段としての急結剤ポンプ（急結剤添加装置）２４と、を備えている。台車２２は、自走可能であり、トンネルＴ内を移動可能である。コンクリート材料を地山の内壁面ＲＳに吹付ける際には、吹付機２０は切羽Ｆに移動してきて、台車２２の前部を切羽Ｆに向けた状態で停車する。

コンクリートポンプ２３は、コンクリート材料を貯留するホッパ２５と共に台車２２に設けられている。ホッパ２５は、台車２２の後部に搭載されており、ミキサ車Ｍからホッパ２５にコンクリート材料が投入される。コンクリートポンプ２３は、ホッパ２５からコンクリート材料を吸い込み、配管（図示省略）を通じてノズル２１に圧送する。圧送されたコンクリート材料は、高圧空気と混合されノズル２１から噴射される。

急結剤ポンプ（急結剤添加装置）２４は、コンクリートポンプ２３と同様に、台車２２に設けられている。急結剤ポンプ（急結剤添加装置）２４は、配管（図示省略）を通じてノズル２１に接続されており、不図示のタンク内の急結剤をノズル２１に供給する。ノズル２１に供給された急結剤は、ノズル２１の内部でコンクリート材料に添加され、コンクリート材料と共にノズル２１から噴射される。

吹付機２０は、ノズル２１をトンネルＴの内壁面に向けた状態で移動させるノズル駆動部３０を備えている。ノズル２１を移動させながらコンクリート材料を噴射することによって、トンネルＴの内壁面の全体にコンクリート材料を吹付けることができる。

ノズル駆動部３０は、台車２２の前部にスイング可能に設けられるブーム３１と、ブーム３１の先端にスイング可能に設けられるアーム３２と、アーム３２の先端に回転可能に設けられる回転シャフト３３と、を備える。ブーム３１及びアーム３２は、伸縮可能に形成されている。ノズル２１は、回転シャフト３３の先端に取り付けられており、ブーム３１及びアーム３２をスイング及び伸縮することにより、ノズル２１が台車２２に対して移動する。

ノズル駆動部３０は、ブーム３１を台車２２に対して水平方向にスイングする第１ブームシリンダ３１ａと、ブーム３１を台車２２に対して鉛直方向にスイングする第２ブームシリンダ３１ｂと、ブーム３１を伸縮する第３ブームシリンダ３１ｃと、を備えている。第１〜第３ブームシリンダ３１ａ〜３１ｃの駆動によりブーム３１がスイング及び伸縮すると、ブーム３１の先端が台車２２の前方において上下左右に移動する。

ブーム３１の先端にアーム３２が設けられアーム３２の先端にノズル２１が設けられているので、ブーム３１の先端を上下左右に移動させると、ノズル２１と地山の内壁面ＲＳとの距離が変化する。つまり、ブーム３１及び第１〜第３ブームシリンダ３１ａ〜３１ｃによって、ノズル２１と地山の内壁面ＲＳとの距離を変化させる距離変化手段が構成されている。

ノズル駆動部３０は、アーム３２をブーム３１に対して水平方向にスイングする第１アームシリンダ３２ａと、アーム３２をブーム３１に対して鉛直方向にスイングする第２アームシリンダ３２ｂと、を備えている。第１及び第２アームシリンダ３２ａ，３２ｂの駆動によりアーム３２がスイングすると、アーム３２とブーム３１との間の角度が変化する。したがって、アーム３２の伸縮方向がトンネルＴの軸方向に略一致するようにアーム３２の向きを調整することができる。

ノズル駆動部３０は、アーム３２を伸縮する第３アームシリンダ３２ｃを更に備えている。アーム３２の先端にはノズル２１が設けられているので、アーム３２の伸縮方向をトンネルＴの軸方向に略一致させた状態で第３アームシリンダ３２ｃを駆動してアーム３２を伸縮すると、ノズル２１がトンネルＴの軸方向に走査する。つまり、アーム３２及び第３アームシリンダ３２ｃによって、ノズル２１をトンネルＴの軸方向に走査させる走査手段が構成されている。

回転シャフト３３は、アーム３２の伸縮方向に延びる軸周りに回転可能にアーム３２に支持されている。そのため、アーム３２の伸縮方向をトンネルＴの軸方向に略一致させた状態で回転シャフト３３を回転させると、ノズル２１がトンネルＴの周方向にスイングする（図３（ｂ）参照）。

図３（ａ）に示すように、アーム３２の先端外周面にはモータ３３ａが設けられる。モータ３３ａの出力シャフト３３ｂは、ギアボックス３３ｃに収容された複数のギア（図示省略）を介して回転シャフト３３と連結されている。そのため、モータ３３ａの駆動により回転シャフト３３が回転すると、ノズル２１がスイングする。つまり、回転シャフト３３及びモータ３３ａによって、ノズル２１をトンネルＴの周方向にスイングするスイング手段が構成されている。

このように、吹付機２０のノズル駆動部３０は、ノズル２１をトンネルＴの内壁面に向けた状態で移動させる。したがって、トンネルＴの内壁面全体にコンクリート材料を吹付けることができる。

本実施形態では、コンクリート材料吹付装置１００は、地山の内壁面ＲＳにコンクリート材料を吹付ける１次吹付けと、１次吹付けにより地山の内壁面ＲＳに吹付けられたコンクリート材料に更にコンクリート材料を吹付ける２次吹付けと、を行う。１次吹付けは本吹きとも呼ばれ、１次吹付けによってコンクリート構造体１（図１参照）が概ね形成される。２次吹付けは仕上げ吹きとも呼ばれ、コンクリート構造体１の内壁面１ａをより平滑にするために行われる。

１次吹付けは、予め定められた複数の第１区画Ｄ１ごとに行われる。２次吹付けは、第１区画Ｄ１よりも少ない数で予め定められた複数の第２区画Ｄ２ごとに行われる。図２では、トンネルＴをその周方向に略１５度間隔で１２個に分割する第１区画Ｄ１を定めると共にトンネルＴをその周方向に略３０度間隔で６個に分割する第２区画Ｄ２を定めた例を示している。１次吹付け、２次吹付けは、区画Ｄ１、Ｄ２ごとに、順番に行われてもよい。

１次吹付け及び２次吹付けは、吹付機２０をコントローラ６０によって制御することによって行われる。

コントローラ６０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＣＰＵにより実行される制御プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＣＰＵの演算結果等を記憶するＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）と、を含むマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６０は、単一のマイクロコンピュータで構成されていてもよいし、複数のマイクロコンピュータで構成されていてもよい。

図４に示すように、コントローラ６０は、必要吹付厚さ算出部６１と、吹付パラメータ決定部６２と、制御信号出力部６３と、を備えている。必要吹付厚さ算出部６１、吹付パラメータ決定部６２及び制御信号出力部６３は、吹付機２０を制御するためのコントローラ６０の機能を仮想的なユニットとしたものである。

必要吹付厚さ算出部６１は、３Ｄスキャナ１０により計測されたトンネルＴの内壁面の断面形状と、予め定められたトンネルＴの設計内壁面の断面形状と、に基づいて、必要吹付厚さを算出する。具体的には、必要吹付厚さ算出部６１は、トンネルＴの設計基準軸ＤＡ（図２参照）を中心とする放射方向（径方向）に沿って、計測されたトンネルＴの内壁面とトンネルＴの設計内壁面の断面形状との距離を算出することにより、必要吹付け厚さを算出する。

トンネルＴの設計内壁面の情報は、吹付機２０（図１参照）に搭載される記憶部５０に予め記憶されている。必要吹付厚さ算出部６１は、必要吹付厚さを算出する際には、記憶部５０からトンネルＴの設計内壁面の情報を取得する。

トンネルＴの設計内壁面は、１次吹付け用に定められた第１設計内壁面ＤＳ１（図２参照）と、２次吹付け用に定められた第２設計内壁面ＤＳ２（図２参照）である。必要吹付厚さ算出部６１は、１次吹付けを行う際には、トンネルＴの設計内壁面として第１設計内壁面ＤＳ１を取得し、２次吹付けを行う際には、トンネルＴの設計内壁面として第２設計内壁面ＤＳ２を取得する。地山の内壁面ＲＳにコンクリート材料を吹付ける径方向のエリアのうち、内壁面ＲＳに近いエリアとなるように第１設計内壁面ＤＳ１が設定され、壁面ＲＳから第１設計内壁面ＤＳ１と比べてより離れたエリアとなるように第２設計内壁面ＤＳ２が設定される。つまり、１次吹付けのエリアは２次吹付けのエリアに対して、地山の内壁面ＲＳにより近いエリアと言える。

また、必要吹付厚さ算出部６１は、第１区画Ｄ１内の各々において複数の（例えば１度ごとに）局所必要吹付厚さを算出し、算出された複数の局所必要吹付厚さを用いて、第１区画Ｄ１又は第２区画Ｄ２ごとに平均必要吹付厚さを算出する。具体的には、必要吹付厚さ算出部６１は、１次吹付けを行う際には、複数の第１区画Ｄ１ごとに平均必要吹付厚さを算出し、２次吹付けを行う際には、複数の第２区画Ｄ２ごとに平均必要吹付厚さを算出する。

吹付パラメータ決定部６２は、算出された平均必要吹付厚さに基づいて、第１区画Ｄ１ごと又は第２区画Ｄ２ごとに吹付パラメータを決定する。吹付パラメータは、ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の時間当たりの流量、つまりコンクリート材料の時間当たりの吐出量、ノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離、ノズル２１のスイング速度、ノズル２１のスイング角度、ノズル２１の走査速度、及び急結剤のコンクリート材料に対する添加量である。

制御信号出力部６３は、決定された吹付パラメータに基づいて、コンクリートポンプ２３、第１〜第３ブームシリンダ３１ａ〜３１ｃ、第１〜第３アームシリンダ３２ａ〜３２ｃ、モータ３３ａ及び急結剤ポンプ２４に制御信号を出力する。コンクリートポンプ２３、第１〜第３ブームシリンダ３１ａ〜３１ｃ、第１〜第３アームシリンダ３２ａ〜３２ｃ、モータ３３ａ及び急結剤ポンプ２４は、制御信号に応じて駆動され、コンクリート材料をトンネルＴの内壁面に吹付ける。

このように、コントローラ６０は、１次吹付けでは、計測された地山の内壁面ＲＳの断面形状と、トンネルＴの第１設計内壁面ＤＳ１の断面形状と、に基づいて、必要吹付厚さを算出する。吹付機２０は、コントローラ６０により必要吹付厚さに応じて制御されてコンクリート材料を地山の内壁面ＲＳに吹付ける。したがって、所定の値以上の吹付厚さでかつトンネルＴの第１設計内壁面ＤＳ１を越えないようにコンクリート材料を地山の内壁面ＲＳに吹付けることができる。２次吹付けにおいても同様である。

また、コントローラ６０は、１次吹付けでは、複数の第１区画Ｄ１ごとに平均必要吹付厚さを算出し、算出された平均必要吹付厚さに基づいて吹付機２０を制御する。そのため、第１区画Ｄ１ごとに算出された平均必要吹付厚さに応じてコンクリート材料が地山の内壁面ＲＳに吹付けられる。したがって、地山の内壁面ＲＳの凹凸に応じてコンクリート材料の吹付厚さを変化させることができ、１次吹付けによる仕上がり面の凹凸を、地山の内壁面ＲＳの凹凸よりも小さくすることができる。これにより、１次吹付けによる仕上がり面の平滑さを向上させることができる。

また、コントローラ６０は、２次吹付けでは、１次吹付けによる仕上がり面の断面形状と、トンネルＴの第２設計内壁面ＤＳ２の断面形状と、に基づいて、複数の第２区画Ｄ２ごとに平均必要吹付厚さを算出し、算出された平均必要吹付厚さに基づいて吹付機２０を制御する。そのため、第２区画Ｄ２ごとに算出された平均必要吹付厚さに応じてコンクリート材料が１次吹付けによる仕上がり面に吹付けられる。したがって、１次吹付けによる仕上がり面の凹凸に応じてコンクリート材料の吹付厚さを変化させることができ、２次吹付けによる仕上がり面の凹凸を、１次吹付けによる仕上がり面の凹凸よりも小さくすることができる。これにより、２次吹付けによる仕上がり面、すなわちコンクリート構造体１の内壁面１ａの平滑さを向上させることができる。

１次吹付け及び２次吹付けでは、吹付機２０はコントローラ６０によって制御される。そのため、作業員による吹付機２０の操作によらずに１次吹付け及び２次吹付けが完了する。したがって、１次吹付け及び２次吹付けによる仕上がり面を一定の精度で平滑にすることができる。

ところで、ノズル２１から噴射されるコンクリート材料は、全てがトンネルＴの内壁面に付着するのではなく、一部は内壁面に付着せずにリバウンドして落下する。コンクリート材料の付着性は、ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の流量、ノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離、ノズル２１のスイング速度、ノズル２１のスイング角度、ノズル２１の走査速度及び急結剤の添加量等の吹付パラメータが絡み合って変化する。そのため、吹付パラメータが異なる場合には、内壁面に向けてノズル２１から噴射されるコンクリート材料の量が同じであっても、吹付厚さが異なる。

コンクリート材料吹付装置１００では、吹付パラメータ決定部６２は、コンクリート材料の吹付厚さと、ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の吹付パラメータと、の関係を用いて、吹付パラメータを決定する。そのため、吹付厚さの付着性に応じて吹付パラメータを決定することができ、算出された必要吹付厚さと略同じ吹付厚さでコンクリート材料をトンネルＴの内壁面に吹付けることができる。これにより、１次吹付け及び２次吹付けによる仕上がり面の平滑さをより向上させることができる。

吹付パラメータ決定部６２の構成をより具体的に説明する。吹付パラメータ決定部６２は、吹付パラメータ抽出部６２ａと、吹付パラメータ補正部６２ｂと、を備えている。吹付パラメータ抽出部６２ａは、記憶部５０に予め記憶された関係から吹付パラメータを抽出する。

記憶部５０に予め記憶された関係は、コンクリート材料の吹付厚さと、ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の吹付パラメータと、の関係を示す表（図５参照）である。図５に示す表では、所定の吹付厚さでコンクリート材料を吹付けるのに適切な吹付パラメータ（流量、距離、スイング速度、スイング角度、走査速度及び添加量）の値が設定されている。

吹付パラメータ抽出部６２ａは、必要吹付厚さ算出部６１により算出された必要吹付厚さを図５の表における吹付厚さとして、図５の表から、対応する流量、距離、スイング速度、スイング角度、走査速度及び添加量の値を抽出する。したがって、吹付機２０は、算出された必要吹付厚さに近い吹付厚さでコンクリート材料をトンネルＴの内壁面に吹付けることができる。

図５に示される表は、予め実験により得られる。実験は、鉛直に延びる壁面にコンクリート材料を水平に吹付けることにより行われる。コンクリート材料の吹付けは、吹付パラメータを変えて複数回行われる。コンクリート材料の吹付けごとに壁面に付着したコンクリート材料の厚さを計測することにより、コンクリート材料の吹付厚さと、コンクリート材料の吹付パラメータと、の関係を得ることができる。

ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の流量は、吹付厚さが厚いほど多く設定され、２次吹付けよりも１次吹付けの方が多く設定される。

ノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離は、吹付厚さが厚いほど小さく設定され、２次吹付けよりも１次吹付けの方が小さく設定される。

ノズル２１のスイング速度は、吹付厚さが厚いほど遅く設定され、２次吹付けよりも１次吹付けの方が遅く設定される。

ノズル２１のスイング角度は、吹付厚さが厚いほど小さく設定され、２次吹付けよりも１次吹付けの方が小さく設定される。

ノズル２１の走査速度は、吹付厚さが厚いほど遅く設定され、２次吹付けよりも１次吹付けの方が遅く設定される。

ノズル２１から噴射されるコンクリート材料に添加される急結剤の添加量は、吹付厚さが厚いほど多く設定され、２次吹付けよりも１次吹付けの方が少なく設定される。

このように、コンクリート材料吹付装置１００では、吹付パラメータは、付着性を考慮して抽出される。したがって、算出された必要吹付厚さと略同じ吹付厚さでコンクリート材料をトンネルＴの内壁面に吹付けることができる。これにより、１次吹付け及び２次吹付けによる仕上がり面の平滑さをより向上させることができる。

吹付パラメータ補正部６２ｂは、抽出された吹付パラメータを、第１区画Ｄ１及び第２区画Ｄ２の位置に基づいて補正する。具体的には、吹付パラメータ補正部６２ｂは、天面に近い第１区画Ｄ１及び第２区画Ｄ２ほど、急結剤の添加量を増加させるように吹付パラメータを補正する。これは、トンネルＴの天面近傍では、コンクリート材料は上向きにトンネルＴの内壁面に吹付けられるため、コンクリート材料を壁面に水平に吹付ける実験と比較して付着性が低いためである。第１区画Ｄ１及び第２区画Ｄ２の位置に基づいて吹付パラメータを補正することにより、算出された必要吹付厚さにより近い吹付厚さでコンクリート材料をトンネルＴの内壁面に吹付けることができる。これにより、１次吹付け及び２次吹付けによる仕上がり面の平滑さをより向上させることができる。

また、吹付パラメータ補正部６２ｂは、１次吹付け後に３Ｄスキャナ１０により計測されたトンネルＴの内壁面の断面形状と、第１設計内壁面ＤＳ１（図２参照）と、を比較し、コンクリート材料の実際の付着具合に基づいて、２次吹付けにおいて吹付パラメータ抽出６２ａにより抽出された吹付パラメータを補正する。そのため、２次吹付けにおいて、コンクリート材料は、トンネルＴでの付着性を考慮してトンネルＴの内壁面に吹付けられる。したがって、算出された必要吹付厚さにより近い吹付厚さでコンクリート材料をトンネルＴの内壁面に吹付けることができる。これにより、１次吹付け及び２次吹付けによる仕上がり面の平滑さをより向上させることができる。

次に、コンクリート材料吹付装置１００の動作を、図６を参照して説明する。ここでは、ズリ出し工程後に吹付機２０を所望の位置で停車させてから２次吹付けが終了するまでの動作について説明する。

ステップＳ６０１では、３Ｄスキャナ１０を用いて、トンネルＴの内壁面の断面形状を計測する（１次計測ステップ）。この時点では、地山の内壁面ＲＳにコンクリート材料を吹付ける前である。そのため、３Ｄスキャナ１０により計測されるトンネルＴの内壁面の断面形状は、およそ地山の内壁面ＲＳの断面形状であり、コンクリート材料を吹付ける前の断面形状である。

ステップＳ６０２では、吹付区画ごとに必要吹付厚さを算出する（１次算出ステップ）。具体的には、１次吹付けを行うため、計測された地山の内壁面ＲＳの断面形状と、第１設計内壁面ＤＳ１と、に基づいて、第１区画Ｄ１ごとに平均必要吹付厚さを算出する。

ステップＳ６０３では、算出された平均必要吹付厚さに基づいて、吹付パラメータを決定する（１次決定ステップ）。具体的には、記憶部５０から図５に示される表の情報を取得し、取得された表を用いて、第１区画Ｄ１ごとに吹付パラメータを抽出する。その後、抽出された吹付パラメータを第１区画Ｄ１の位置に基づいて補正し、吹付パラメータを決定する。

ステップＳ６０４では、決定された吹付パラメータに基づいて、コンクリートポンプ２３、第１〜第３ブームシリンダ３１ａ〜３１ｃ、第１〜第３アームシリンダ３２ａ〜３２ｃ、モータ３３ａ及び急結剤ポンプ２４を駆動する（１次吹付ステップ）。これにより、ノズル２１からコンクリート材料が噴射され、１次吹付けが行われる。

ステップＳ６０５では、３Ｄスキャナ１０を用いて、トンネルＴの内壁面の断面形状を計測する（２次計測ステップ）。この時点では、地山の内壁面ＲＳにはコンクリート材料が吹付けられている。そのため、３Ｄスキャナ１０は、トンネルＴの内壁面の断面形状として、１次吹付け後におけるトンネルＴの内壁面の断面形状を計測する。

ステップＳ６０６では、ステップＳ６０４にて計測された断面形状と、第２設計内壁面ＤＳ２と、に基づいて、第２区画Ｄ２ごとに平均必要吹付厚さを算出する（第２算出ステップ）。

ステップＳ６０７では、ステップＳ６０６にて算出された平均必要吹付厚さに基づいて、吹付パラメータを決定する（２次決定ステップ）。具体的には、記憶部５０から図５に示される表の情報を取得し、取得された表を用いて、第２区画Ｄ２ごとに吹付パラメータを抽出する。その後、抽出された吹付パラメータを第２区画Ｄ２の位置に基づいて補正し、吹付パラメータを決定する。

ステップＳ６０８では、ステップＳ６０７にて決定された吹付パラメータを補正する（補正ステップ）。具体的には、ステップＳ６０５にて計測されたトンネルＴの内壁面の断面形状と、第１設計内壁面ＤＳ１（図２参照）と、を比較し、コンクリート材料の実際の付着具合を算出する。算出された付着具合に基づいて、ステップＳ６０７にて決定された吹付パラメータを補正する。

ステップＳ６０９では、ステップＳ６０８にて補正された吹付パラメータに基づいて、コンクリートポンプ２３、第１〜第３ブームシリンダ３１ａ〜３１ｃ、第１〜第３アームシリンダ３２ａ〜３２ｃ、モータ３３ａ及び急結剤ポンプ２４を駆動する（２次吹付ステップ）。これにより、ノズル２１からコンクリート材料が噴射され、２次吹付けが行われる。

以上により、コンクリート材料吹付装置１００による吹付けが完了し、コンクリート材料吹付装置１００の動作を終了する。

以上の実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

コンクリート材料吹付装置１００及びコンクリート材料吹付方法では、計測されたトンネルＴの内壁面の断面形状と、トンネルＴの設計内壁面の断面形状と、に基づいて、予め定められた複数の区画ごとに必要吹付厚さが算出され、算出された必要吹付厚さに基づいて吹付機２０が制御される。そのため、所定の値以上の吹付厚さでかつトンネルＴの設計内壁面を越えないようにコンクリート材料を地山の内壁面ＲＳに吹付けることができる。また、トンネルＴの内壁面の凹凸に応じてコンクリート材料の吹付厚さを変化させることができ、吹付けによる仕上がり面の平滑さを向上させることができる。加えて、吹付けでは、吹付機２０はコントローラ６０によって制御される。そのため、作業員による吹付機２０の操作によらずに吹付けを完了することができ、吹付けによる仕上がり面を一定の精度で平滑にすることができる。また、作業員の熟練度等による吹付け作業のばらつきを抑制できる。

また、コンクリート材料吹付装置１００及びコンクリート材料吹付方法では、吹付パラメータは、コンクリート材料の吹付厚さと、ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の吹付パラメータと、の関係を用いて、決定される。そのため、コンクリート材料は、吹付厚さごとの付着性に応じた吹付パラメータでトンネルＴの内壁面に吹付けられる。そのため、算出された必要吹付厚さと略同じ吹付厚さでコンクリート材料をトンネルＴの内壁面に吹付けることができ、吹付けによる仕上がり面の平滑さをより向上させることができる。

また、コンクリート材料吹付装置１００及びコンクリート材料吹付方法では、吹付機２０は、複数の区画ごとに算出された必要吹付厚さと、対応する区画の位置と、に基づいて制御される。そのため、区画の位置に応じてコンクリート材料がトンネルＴの内壁面に吹付けられる。したがって、算出された必要吹付厚さにより近い吹付厚さでコンクリート材料をトンネルＴの内壁面に吹付けることができ、吹付けによる仕上がり面の平滑さをより向上させることができる。

また、コンクリート材料吹付装置１００及びコンクリート材料吹付方法では、２次吹付けを行う際には、第１設計内壁面ＤＳ１の断面形状と、１次吹付け後に計測された前記断面形状と、を比較し、比較結果と、図５に示す表と、を用いて、吹付パラメータを決定する。そのため、２次吹付けにおいて、コンクリート材料は、トンネルＴでの付着性を考慮してトンネルＴの内壁面に吹付けられる。したがって、算出された必要吹付厚さにより近い吹付厚さでコンクリート材料をトンネルＴの内壁面に吹付けることができる。これにより、２次吹付けによる仕上がり面の平滑さをより向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態では、吹付けは、１次吹付けと２次吹付けに分けて２回行われるが、厳密に区別されるものではなく、一連の作業において混在して行ってもよい。また、１回であってもよい。また、吹付けは、３回以上に分けて行われてもよい。

上記実施形態では、第１設計内壁面ＤＳ１と第２設計内壁面ＤＳ２とが記憶部５０に記憶されている。第２設計内壁面ＤＳ２のみが記憶部５０に記憶されており、第１設計内壁面ＤＳ１は第２設計内壁面ＤＳ２を用いて算出されてもよい。

第１区画Ｄ１と第２区画Ｄ２とは同一に定められていてもよい。

上記実施形態では、吹付パラメータ決定部６２は、ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の流量、ノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離、ノズル２１のスイング速度、ノズル２１のスイング角度、ノズル２１の走査速度、及び急結剤の添加量の全てを決定する。吹付パラメータ決定部６２は、これらの吹付パラメータの項目の少なくとも１つを決定するように構成されていてもよい。

吹付パラメータ決定部６２がこれらの吹付パラメータの項目の少なくとも２つを決定するように構成されている場合には、２つ以上の吹付パラメータを同時に変化させることができるため、仕上がり面をより平滑にすることができる。吹付パラメータ項目の２つは、具体的には、
（１）ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の流量と、ノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離と、の組合わせ
（２）ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の流量と、ノズル２１のスイング速度と、の組合わせ
（３）ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の流量と、ノズル２１のスイング角度と、の組合わせ
（４）ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の流量と、ノズル２１の走査速度と、の組合わせ
（５）ノズル２１から噴射されるコンクリート材料の流量と、急結剤の添加量と、の組合せ
（６）ノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離と、ノズル２１のスイング速度と、の組合わせ
（７）ノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離と、ノズル２１のスイング角度と、の組合わせ
（８）ノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離と、ノズル２１の走査速度と、の組合わせ
（９）ノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離と、急結剤の添加量と、の組合わせ
（１０）ノズル２１のスイング速度と、ノズル２１のスイング角度と、の組合わせ
（１１）ノズル２１のスイング速度と、ノズル２１の走査速度と、の組合わせ
（１２）ノズル２１のスイング速度と、急結剤の添加量と、の組合わせ
（１３）ノズル２１のスイング角度と、ノズル２１の走査速度と、の組合わせ
（１４）ノズル２１のスイング角度と、急結剤の添加量と、の組合わせ
（１５）ノズル２１の走査速度と、急結剤の添加量と、の組合わせ
である。吹付パラメータ項目（流量、距離、スイング速度、スイング角度、走査速度及び添加量）は便宜、選択されて設定される。

（１）の組合わせ、即ちノズルから噴射されるコンクリート材料の流量と、ノズル２１とトンネルＴのン内壁面の距離と、の吹付パラメータ項目の組合せを適切に設定することで、トンネルＴの内壁面に吹付けられるコンクリート材料のリバウンドを低減することができる。

（２）〜（４）の組合わせ、即ちノズルから噴射されるコンクリート材料の流量と、ノズル２１のスイング速度、又はスイング角度、又は走査速度と、の吹付パラメータ項目の組合せを適切に設定することで、吹付けられるコンクリート材料を計画どおりに安定してトンネルＴの内壁面に吹付けることができるので、仕上がり面を平滑にできる。

（５）の組合わせ、即ちノズル２１から噴射されるコンクリート材料の流量と、急結剤の添加量と、の吹付パラメータ項目の組合せを適切に設定することで、トンネルＴの内壁面に付着するコンクリート材料が安定するとともに、急結剤の添加量を適切に保つことができるので、急結剤の使用量を低減することができる。

（６）〜（８）の組合わせ、即ちノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離と、ノズル２１のスイング速度、又はスイング角度、又は走査速度と、の吹付パラメータ項目の組合せを適切に設定することで、トンネルＴの内壁面に吹付けられるコンクリート材料のリバウンドを低減することができる。

（９）の組合わせ、即ちノズル２１とトンネルＴの内壁面との距離と、急結剤の添加量と、の吹付パラメータ項目の組合せを適切に設定することで、トンネルＴの内壁面に付着するコンクリート材料が安定するとともに、急結剤の添加量を適切に保つことができるので、急結剤の使用量を低減することができる。

（１０）、（１１）及び（１３）の組合わせ、即ちノズル２１のスイング速度、又はスイング角度、又は走査速度と、の吹付パラメータ項目のうち２つの吹付パラメータ項目の組合せを適切に設定することで、吹付けられるコンクリート材料を計画どおりに安定してトンネルＴの内壁面に吹付けることができるので、仕上がり面を平滑にできる。

（１２）、（１４）及び（１５）の組合わせ、即ちノズル２１のスイング速度、又はスイング角度、又は走査速度と、急結剤の添加量と、の吹付パラメータ項目の組合せを適切に設定することで、トンネルＴの内壁面に付着するコンクリートが安定するとともに、急結剤の添加量を適切に保つことができるので、急結剤の使用量を低減することができる。

１０・・・３Ｄスキャナ（計測部）
２０・・・吹付機
２１・・・ノズル
５０・・・記憶部
６０・・・コントローラ（制御部）
１００・・・コンクリート材料吹付装置
Ｄ１・・・第１区画
Ｄ２・・・第２区画
ＲＳ・・・地山の内壁面
Ｔ・・・トンネル

Claims (13)

1. トンネルの内壁面にコンクリート材料を吹付けるコンクリート材料吹付装置であって、
   前記内壁面の断面形状を計測する計測部と、
   ノズルからコンクリート材料を噴射して前記内壁面に吹付ける吹付機と、
   前記計測部及び前記吹付機を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記計測部により計測された前記断面形状と、予め定められた前記トンネルの設計内壁面の断面形状と、に基づいて、予め定められた複数の区画ごとに必要吹付厚さを算出し、算出された前記必要吹付厚さに基づいて前記吹付機を制御する、
   コンクリート材料吹付装置。
2. コンクリート材料の吹付厚さと、前記ノズルから噴射されるコンクリート材料の吹付パラメータと、の関係を記憶する記憶部を更に備え、
   前記制御部は、算出された前記必要吹付厚さと前記記憶部に記憶された前記関係とに基づいて、前記吹付パラメータを決定し、決定された前記吹付パラメータに基づいて前記吹付機を制御する、
   請求項１に記載のコンクリート材料吹付装置。
3. 前記吹付パラメータは、前記ノズルから噴射されるコンクリート材料の流量を含む
   請求項２に記載のコンクリート材料吹付装置。
4. 前記吹付パラメータは、前記ノズルと前記内壁面との距離を含む
   請求項２又は３に記載のコンクリート材料吹付装置。
5. 前記吹付パラメータは、前記トンネルの周方向への前記ノズルのスイング角度及びスイング速度の少なくとも一方を含む
   請求項２から４のいずれか１項に記載のコンクリート材料吹付装置。
6. 前記吹付パラメータは、前記トンネルの軸方向への前記ノズルの走査速度を含む
   請求項２から５のいずれか１項に記載のコンクリート材料吹付装置。
7. 前記吹付パラメータは、前記ノズルから噴射されるコンクリート材料に添加される急結剤の添加量を含む
   請求項２から６のいずれか１項に記載のコンクリート材料吹付装置。
8. 前記吹付パラメータは、前記ノズルと前記内壁面との距離、前記トンネルの周方向への前記ノズルのスイング角度、前記トンネルの周方向への前記ノズルのスイング速度、前記トンネルの軸方向への前記ノズルの走査速度、及び前記ノズルから噴射されるコンクリート材料に添加される急結剤の添加量の少なくとも２つを含む
   請求項２に記載のコンクリート材料吹付装置。
9. 前記予め定められた複数の区画は、前記トンネルの周方向に前記内壁面を複数に分割して設定されており、
   前記制御部は、前記複数の区画ごとに算出された前記必要吹付厚さと、対応する前記区画の位置と、に基づいて前記吹付機を制御する
   請求項１から８のいずれか１項に記載のコンクリート材料吹付装置。
10. 吹付機のノズルからコンクリート材料を噴射してトンネルの内壁面に吹付けるコンクリート材料吹付方法であって、
    前記内壁面の断面形状を計測する計測ステップと、
    計測された前記断面形状と、予め定められた前記トンネルの設計内壁面の断面形状と、に基づいて、予め定められた複数の区画ごとに必要吹付厚さを算出する算出ステップと、
    算出された前記必要吹付厚さに基づいて前記吹付機を制御してコンクリート材料を前記内壁面に吹付ける吹付ステップと、を備える、
    コンクリート材料吹付方法。
11. 前記算出ステップ後に、コンクリート材料の吹付厚さと、前記ノズルから噴射されるコンクリート材料の吹付パラメータと、の関係を用いて、算出された前記必要吹付厚さに基づいて前記吹付パラメータを決定する決定ステップを更に備え、
    前記吹付ステップでは、前記決定ステップにて決定された前記吹付パラメータに基づいて前記吹付機を制御する、
    請求項１０に記載のコンクリート材料吹付方法。
12. 前記吹付ステップ後に前記トンネルの内壁面の断面形状を計測し、前記設計内壁面の断面形状と前記吹付ステップ後に計測された前記断面形状とを比較し、当該比較結果に基づいて、前記関係における前記吹付パラメータを補正する
    請求項１１に記載のコンクリート材料吹付方法。
13. 補正された前記吹付パラメータに基づいて前記吹付機を制御してコンクリート材料を前記内壁面に吹付ける
    請求項１２に記載のコンクリート材料吹付方法。

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