JP2021095773A - 型枠装置およびコンクリート打設システム - Google Patents

Abstract

【課題】 手間をかけることなく、短期間かつ安価で連続的にコンクリートを打設することが可能となる装置、システムを提供する。【解決手段】 型枠装置１０は、２つの支保工１３に跨るように配置され、コンクリートの打設口４３を有する面板３１を備えた型枠と、面板３１を２つの支保工へ押し当てる押当手段とを含む。型枠装置１０は、移動可能な把持部２７を備えた建設機械に取り付けられ、型枠が、把持部２７により把持される支持体３０と、打設口４３を有する面板３１とを含み、押当手段が、支保工１３の長手方向に離間して配置され、面板３１を２つの支保工１３へ押し当てる第１および第２の押当部材３２と、第１の押当部材３２を支持体３０に回動可能に連結する第１のヒンジ機構３３と、第２の押当部材３２を回動可能に連結する第２のヒンジ機構３３と、第２のヒンジ機構３３を支持体３０に支保工が延びる方向へ滑動可能に接続するスライド機構３４とを含む。【選択図】 図３

Description

本発明は、コンクリートを打設するために用いられる型枠装置およびその型枠装置を含むコンクリート打設システムに関する。

山岳トンネル工事では、掘削して露出した面が緩んで崩壊しないように、掘削面に対してコンクリートを打設して覆う。従来、コンクリートの打設には、掘削面に付着したコンクリートが短時間で凝結に達して硬化するように、急結剤（粉体や液体、またはこれらを併用）を添加したコンクリートを用い、そのコンクリートを高圧の圧縮空気により吹き付ける吹付工が採用されている。

吹付工は、施工上、粉塵が少なからず発生し、吹き付け時のコンクリートの跳ね返り（リバウンド）の量も多い。このため、コンクリートの損失（ロス）率が高くなり、コスト増になる。また、吹付工は、吹き付けて硬化したコンクリート中に空隙が多く存在するため、コンクリートの強度や充填性といった品質にばらつきが生じることがある。さらに、吹付工は、圧縮空気でコンクリートを吹き飛ばして施工するため、コンクリート表面が凸凹に仕上がり、吹付けた厚さが不均質となることがあるため、吹付け施工後、コンクリート表面を専用の治具で削ったりして、設計通りの仕上りに調整する作業が必要になることがある。

そこで、型枠を用い、コンクリートを型枠内に流し込みながら連続的に施工を行う装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、型枠にコンクリートを供給しながら、型枠をガイドレールに沿って移動させることにより、トンネルの周方向に連続するコンクリートを打設することを特徴としている。

特開２０１５−２０６１７３号公報

しかしながら、上記の従来の装置では、支保工とは別にガイドレールを設置し、ガイドレールに支持架台を取り付ける必要があり、施工に手間と時間を要し、コストもかかるという問題があった。

そこで、手間をかけることなく、短期間かつ安価で連続的にコンクリートを打設することができる型枠装置やコンクリート打設システム等の提供が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、移動可能な把持部を備えた建設機械に取り付けられる型枠装置であって、
２つの支保工に跨るように配置され、コンクリートの打設口を有する面板を備え、前記把持部により把持される型枠と、
面板を２つの支保工へ押し当てる押当手段とを含む、型枠装置が提供される。

本発明によれば、手間をかけることなく、短期間かつ安価で連続的にコンクリートを打設することができる。

コンクリート打設システムの構成例を示した図。 コンクリート打設システムに用いられるエレクタの構成例を示した図。 型枠装置の構成例を示した図。 型枠装置を使用してコンクリートを打設する様子を例示した図。 エレクタにより型枠装置を移動させ、連続してコンクリートを打設する様子を例示した図。 平面施工時と曲面施工時における面板の様子を例示した図。 型枠装置に取り付けるセンサの種類と位置を説明する図。 エレクタに取り付けるセンサの種類と位置を説明する図。 コンクリート打設システムの制御の概要を説明する図。 コンクリート打設システムの詳細な制御の内容について説明する図。 円周角について説明する図。 コンクリート打設による施工の流れを示したフローチャート。 エレクタの制御の流れを示したフローチャート。

図１は、コンクリート打設システムの構成例を示した図である。コンクリート打設システムは、例えばトンネル工事において、トンネルの掘削、掘削により発生した岩石や土砂等のずりの処理、支保工の設置、一次覆工としてのトンネル内面へのコンクリート打設からなる掘進サイクルの中のコンクリート打設に使用される。ここでは、コンクリート打設システムをトンネル工事に使用するものとして説明するが、支保工を使用してコンクリートを打設する工事であれば、トンネル工事に限定されるものではない。

トンネル工事で使用する支保工は、地山の掘削に伴って生じる地山の変形や外力による圧縮力やせん断力に抵抗する機能を有しており、掘削したトンネルが崩れないように、トンネル軸方向に向けて一定間隔で設置されるアーチ状の鋼製部材として説明する。

支保工には、一般に断面がＨ形状のＨ形鋼が使用される。Ｈ形鋼は、Ｈ形の縦２本に略平行に並ぶ部分（フランジ）と、横１本の上記縦２本の中央を繋ぐ部分（ウェブ）とから構成される。フランジの外側に向いた面は、フランジ面と呼ばれる。

コンクリート打設システムは、図１（ａ）に示すように、型枠装置１０と、型枠装置１０を把持し、移動させるエレクタ１１を備える建設機械の１つである吹付機１２とを含んで構成される。ここでは、建設機械を吹付機１２として説明するが、建設機械は吹付機１２に限定されるものではない。

支保工１３は、一方のフランジ面がトンネル内面１５に隣接し、他方のフランジ面がトンネル１４の径方向の中心に向くように設置される。型枠装置１０は、エレクタ１１の先端付近に取り付けられ、エレクタ１１により隣り合う２つの支保工１３の他方のフランジ面と隣接し、当該２つの支保工１３に跨るように配置される。これにより、トンネル内面１５と、２つの支保工１３と、型枠装置１０とにより囲まれた、コンクリート打設領域１６が形成され、型枠装置１０に設けられた穴（コンクリートの打設口）からコンクリート打設領域１６へコンクリート１７を流し込むことによりコンクリート１７が打設される。

コンクリート打設システムは、図１（ｂ）に示すように、支保工１３の長手方向である矢線Ａに示すトンネルの周方向に、連続的に又は１回の打設が完了する度に型枠装置１０を移動し、移動した位置でコンクリート１７を流し込むことを繰り返すことにより、２つの支保工１３間のトンネルの周方向全体にコンクリート１７を打設する。この打設が完了した後は、次の２つの支保工１３間へ型枠装置１０を移動し、同様にしてコンクリート１７を打設していく。

トンネル周方向へのコンクリート１７の打設は、例えば２つの型枠装置１０と２つのエレクタ１１を用い、掘削したトンネル断面の下部から一方の側壁を上部に向けて移動させ、同じようにして他方の側壁を上部に向けて移動させることにより行うことができる。トンネル中央の天端部分に近づくにつれ、傾斜が緩やかになるため、上部の開口を閉鎖する板等を使用し、流し込んだコンクリートがその開口から外部へ流出するのを防ぐことができる。そして、トンネル中央の天端部分において２つの型枠装置１０が当接し、またはトンネル中央の天端部分に予め設置した型枠材に型枠装置１０が当接し、その内部へコンクリートを打設することにより、トンネルの周方向全体にコンクリートを打設することができる。

図２は、コンクリート打設システムに用いられるエレクタ１１の構成例を示した図である。図２（ａ）は、平面図で、図２（ｂ）は、把持部を正面から見た図で、図２（ｃ）は、側面図である。

エレクタ１１は、腕部（ブーム）２０を備え、ブーム２０は、第１のブーム２１と、第２のブーム２２とから構成される。第１のブーム２１は、第１のブーム２０を伸縮する伸縮部２３を備える。伸縮部２３は、断面の形状が同じで、断面積が異なる複数の中空部材からなり、内部に収容された断面積が小さい中空部材を順に引き出すことにより長さが伸び、その反対に内部へ順に収容することで長さが縮むように構成されている。

第１のブーム２１は、先端部に第２のブーム２２が上下方向へ回動可能に連結され、末端部が吹付機１２に上下方向および左右方向へ回動可能に連結されている。第１のブーム２１の末端部には、調整機構２４、２５が設けられている。調整機構２４、２５としては、例えば油圧シリンダ等が使用される。調整機構２４は、第１のブーム２１と吹付機１２との連結部分を中心として回動させ、上下方向への第１のブーム２１の傾きを調整する。地面に平行な水平方向と、第１のブーム２１の延びる方向とのなす角の範囲は、水平方向を０°とした場合、例えば−３０°〜４５°とすることができる。

調整機構２５は、第１のブーム２１と吹付機１２との連結部分を中心として左右に回動させる。第１のブーム２１を中心として調整機構２５が配置されている側を右方向とし、その反対側を左方向とし、吹付機１２の前面１２ａに対して垂直方向を０°とした場合、例えば左方向へ４５°、右方向へ１５°の範囲を回動範囲とすることができる。

第１のブーム２１の先端部には、第２のブーム２２の上下方向への傾きを調整する調整機構２６が設けられる。調整機構２６の傾きの範囲は、水平方向を０°とした場合、例えば−５３°〜４０°とすることができる。なお、伸縮部２３にも、その長さを調整する調整機構が設けられる。

エレクタ１１は、第２のブーム２２の先端部に、型枠装置１０を把持する把持部２７を備える。第２のブーム２２には、把持部２７の左右への回動を調整する調整機構２８が設けられる。回動範囲は、吹付機１２の前面１２ａに対して垂直方向（矢線Ｂに示す方向）を０°とした場合、例えば左方向へ１０５°、右方向へ４５°とすることができる。

把持部２７は、２組の係止爪を備え、型枠装置１０の一部を挟み込むようにして把持する。把持部２７には、把持部２７の上下方向への傾きを調整する調整機構２９が設けられる。調整機構２９の傾きの範囲は、水平方向を０°とした場合、例えば０°〜１０５°とすることができる。なお、これらの傾きの範囲や回動範囲は一例であり、これらの範囲に限定されるものではない。

図３は、型枠装置１０の構成例を示した図である。図３（ａ）は、型枠装置１０を側方から見た図で、図３（ｂ）は、切断線Ｃ−Ｃで切断した断面図で、図３（ｃ）は、切断線Ｄ−Ｄで切断した断面図である。

型枠装置１０は、少なくとも支持体３０と、面板３１と、押当部材３２と、ヒンジ機構３３と、ガイドバー３５を滑動させる中通し式のスライド機構３４とを含んで構成される。支持体３０と面板３１は、型枠を構成し、押当部材３２とヒンジ機構３３とスライド機構３４は押当手段を構成する。

支持体３０は、例えば角材やシリンダ等の複数の棒状物を使用して箱形に組み立てた構造体で、ガイドバー３５、３６、伸縮機構としてのシリンダ３７、３８、フレーム部３９、ヒンジ部４０、エレクタキャッチ部４１とから構成される。なお、支持体３０に使用される部材は、角材に限られるものではなく、角管、円管、形鋼等を使用してもよい。また、支持体３０の形状は、箱形に限定されるものではなく、ガイドバー３５とエレクタキャッチ部４１とを含むものであればいかなる形状であってもよい。

図３に示す例では、支持体３０は、２本のガイドバー３５と、２本のガイドバー３６と、２本のシリンダ３７、２本のシリンダ３８と、２つのフレーム部３９と、４つのヒンジ部４０と、１つのエレクタキャッチ部４１とから構成されている。

ガイドバー３５は、ヒンジ機構３３が連結され、ヒンジ機構３３が連結されたスライド機構３４が滑動可能に接続される。また、ガイドバー３５は、ヒンジ部４０を介してガイドバー３６やシリンダ３７と連結されている。シリンダ３７は、フレーム部３９と連結され、フレーム部３９は、複数の角材等により形成され、ガイドバー３６が挿通される挿通穴を有し、シリンダ３８が連結されている。ガイドバー３６は、ガイドバー３６が延びる方向に対して垂直に突出する突出部４２を備え、突出部４２にシリンダ３８の一端が連結されている。

シリンダ３７、３８は、例えばエアーシリンダが採用される。シリンダ３７、３８は、装置の重量やコンクリート圧等に対応するため、エアー圧を状況に合わせて変化させるべく、レギュレータを介してエアーが供給される。シリンダ３７、３８は、リリーフバルブを備え、ブーム２０による押し付け等により異常な圧となる場合、リリーフバルブによりエアー圧を下げ、適正な圧に維持する。

エレクタキャッチ部４１は、１本の角材等から構成され、エレクタ１１により把持され、フレーム部３９に連結されている。フレーム部３９に連結されたシリンダ３７、３８内のピストンに固定される棒を押し出すことによりガイドバー３５は、フレーム部３９から離間し、棒を引き込むことによりガイドバー３５はフレーム部３９に近づくように移動する。シリンダ３７、３８の棒の移動量を同じ量にすることで、エレクタキャッチ部４１に対して略平行にガイドバー３５を移動させることができる。また、ヒンジ部４０を有することにより、シリンダ３７、３８の棒の移動量を異なる量にすることで、エレクタキャッチ部４１に対してガイドバー３５を傾けることができる。

面板３１は、２つの支保工１３に跨るように配置され、コンクリートの打設口４３を有する。面板３１は、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル、鋼等の材料を使用し、所定の力を加えても割れたり、折れたりせず、適度に撓み、加えた力を取り除くと、元の平板に戻るような適度な厚さを有する板とされる。アクリル樹脂を使用したアクリル板の場合、その厚さは、例えば１０〜２０ｍｍとすることができ、板は単体または複数枚を重ねて所定の厚さを確保して使用することもできる。面板３１は、打設されるコンクリートに隣接する面が平滑な面とされている。打設口４３は、耐圧ホース等の管４４やコンクリートの供給を調節できる締切り機構等が接続される。

押当部材３２は、トンネル周方向に離間して配置され、面板３１を２つの支保工１３へ押し当てる。押当部材３２は、面板３１を２つの支保工１３へ押し当てるための一定の面積をもつ押当面を有する。これにより、面板３１と２つの支保工１３との間に生じる隙間を小さくし、打設したコンクリートが外部へ流出するのを抑制する。

面板３１は、ボルト等の固定手段を用いて押当部材３２に固定することができる。面板３１は、ボルト等の頭部が面板３１の平滑な面から突出しないように、ねじ穴に連続し、拡張された頭部を収容する拡張溝を有している。

ヒンジ機構３３は、押当部材３２を支持体３０のガイドバー３５およびスライド機構３４に回動可能に連結する。ヒンジ機構３３は、２つの板状部材のそれぞれに穴を設け、２つの穴に断面が円形の棒状部材を挿通させた構成となっている。ヒンジ機構３３を有することにより、支保工１３のフランジ面が湾曲していても、ヒンジ機構３３により押当部材３２の押当面の向きを変えることができるので、面板３１をフランジ面に密着させることができる。

一方のヒンジ機構３３は、ガイドバー３５と連結され、他方のヒンジ機構３３は、スライド機構３４と連結される。２つの支保工１３に沿って面板３１が湾曲する場合、ボルトにより固定される押当部材３２間の直線距離が短くなるため、スライド機構３４によりヒンジ機構３３間の間隔を短くする。スライド機構３４は、例えばガイドバー３５の周囲を取り囲み、ガイドバー３５の長手方向へ滑動可能とされた枠部材とすることができる。

型枠装置１０は、支持体３０のガイドバー３５に取り付けられる伸縮機構としてのシリンダ４５と、２つの押当部材３２間に配置され、シリンダ４５の棒の移動により面板３１の中央部を２つの支保工１３のフランジ面に押し当てる押当部材４６とをさらに備えることができる。

押当部材３２のみでも、面板３１を湾曲させることは可能であるが、コンクリートを流し込んでいくと、面板３１を押し当てる方向とは反対方向へ圧力がかかり、この圧力により、面板３１を押し付けていない中央部に隙間が発生しやすくなる。そこで、押当部材４６を設け、コンクリートの打設による面板３１の中央部の隙間の発生を抑制する。

押当部材３２、４６は、トンネル周方向に対して垂直方向であるトンネル軸方向に延び、面板３１のトンネル周方向に離間して３箇所を押し当てる機構であり、この内、押当部材４６は面板３１に対して２本のローラ軸を利用し、２点で押し当てる。したがって、図３に示す例では、面板３１を計４点で押し当てている。面板３１のサイズが大きい場合は、シリンダ４５および押当部材４６を追加することができる。

押当部材３２、４６のトンネル軸方向への長さは、面板３１のトンネル軸方向の幅より長く、面板３１から突出している。押当部材３２、４６の面板３１から突出した部分には、車輪（ローラ）４７〜４９が設けられる。ローラ４７〜４９は、各支保工１３のフランジ面と接触し、フランジ面上を回転する。これにより、面板３１が支保工１３上をスライドしやすくしている。また、支保工１３のフランジ面と接触する面板３１の接触面に対し、ローラ４７〜４９が当該接触面から当該フランジ面側へ突出する突出量は出来るだけ小さくすることで、面板３１と支保工１３のフランジ面との隙間を最小にし、当該隙間からのコンクリートの漏れを最小限にしている。

押当部材４６も、押当部材３２と同様、一定の面積をもつ押当面を有するものであってもよいが、ローラ４９を取り付ける軸を、押当部材４６として用いてもよい。

コンクリートは、型枠装置１０を所定の位置に設置し、面板３１に設けられた打設口４３から流し込み、トンネル内面１５と２つの支保工１３と面板３１とにより囲まれたコンクリート打設領域１６に打設される。図４は、型枠装置１０を使用してコンクリートを打設する様子を例示した図である。

打設するコンクリート１７は、例えばセメントと、骨材と、水と、減水剤と、コンクリートの硬化を促進させる急硬剤と、コンクリートの流動性を制御する可塑剤とを含むことが望ましい。セメントには、ポルトランドセメント、混合セメント、特殊セメントがあり、いずれのセメントでも使用することができる。骨材は、砂や砂利等であり、その大きさにより細骨材と粗骨材に分けられる。

ベースとなるコンクリート（ベースコンクリート）は、バッチャープラント５０においてセメントと骨材をミキサー５１に投入し、水を加えて混練することにより製造される。ベースコンクリートには、減水剤等の混和剤を含んでいてもよい。混和剤は、使用量が少なく、練り上がり容積に算入されない添加剤であり、コンクリートの品質、性能、経済性等を向上させるために添加されるものである。ベースコンクリートは、生コンとして、ミキサー車５２により施工現場まで搬送される。そして、施工現場では、圧送ポンプ５３により耐圧ホース５４を介して型枠装置１０へ圧送する。

急硬剤は、早期に急硬性を発揮させる混和剤である。急硬剤としては、硬化促進材や凝結調整剤等が挙げられる。硬化促進材は、コンクリートの硬化を促進させる混和材料で、塩化物、亜硝酸塩、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、珪酸ソーダ、アミン類、無水マレイン酸等が挙げられる。凝結調整剤は、凝結時間を調整する混和剤で、接着剤やバインダー用途に適するように変性（疎水基変性）を加えたポリマー等が用いられる。

急硬剤は、水等に分散させ、容器５５から液体ポンプ５６によりスラリーとして供給し、ベースコンクリートに添加される。急硬剤は、コンクリートの硬化を早めるため、混合装置５７を設け、打設直前に添加されるようにする。

可塑剤は、混和剤の１つであり、コンクリートにスラリーを注入した後に添加され、静止するまでは流動性を保持し、静止すると流動性を失い、形状を保持するように作用する。

可塑剤としては、アルカリ雰囲気下で増粘してコンクリートの流動性を失わせるポリマーエマルジョン（アルカリ増粘型ポリマーエマルジョン）が挙げられる。なお、流動性を制御することが可能な材料であれば、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョンに限定されるものではない。

アルカリ増粘型ポリマーエマルジョンは、アクリル酸もしくはメタクリル酸等の不飽和カルボン酸またはその不飽和カルボン酸塩と、アクリル酸エステルモノマーもしくはメタクリル酸エステルモノマー等のエチレン性不飽和化合物との共重合により得ることができる。

不飽和カルボン酸としては、例えばアクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、フマル酸等が挙げられる。エチレン性不飽和化合物としては、例えばエチレン、アクリロニトリル、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、酢酸ビニル、スチレン、アクリルアミド、メタクリルアミド等が挙げられる。

可塑剤も、容器５８から液体ポンプ５９により混合装置５７へ供給される。混合装置５７は、ベースコンクリートへ急硬剤を注入し、その後、可塑剤を添加し、それらを撹拌混合して得られたコンクリート１７を型枠装置１０へ供給する。コンクリート１７は、型枠装置１０の面板３１に設けられた打設口４３から流し込まれ、コンクリート打設領域１６に充填される。この例では、混合装置５７が直接型枠装置１０と接続されているが、このように直接接続されていてもよいし、耐圧ホース等の管４４を介して接続する場合や、コンクリートの供給を調節できる締切り機構等が接続されていてもよい。なお、混合後、即座にコンクリート打設領域１６に流し込む必要があるため、管４４を介して接続する場合、管４４の長さは出来るだけ短い長さとされる。

上記のポリマーエマルジョンを含むコンクリート１７は、可塑剤により増粘するが、圧送ポンプ５３により与えられるエネルギーによってコンクリート打設領域１６内に広がる程度の流動性をもつため、当該領域内の隅々まで充填することができる。多少の隙間が存在する場合でも、幅の狭い隙間はコンクリート１７の流れの抵抗となるため、その部分で静止した状態になる。静止すると、可塑剤により形状を維持するように作用し、隙間からの流出が抑制され、急硬剤によりその形状のまま凝結し、硬化していく。コンクリート１７は、流し込んで３０秒から９０秒程度で凝結するので、凝結に達し、自立したことを確認した後、型枠装置１０をトンネル周方向へ移動させることができる。そして、移動させた後、同じようにしてコンクリート１７を流し込み、打設することができる。

図５は、エレクタ１１により型枠装置１０を移動させ、トンネルの周方向へ連続してコンクリートを打設する様子を例示した図である。図５では、型枠装置１０を水平方向（真横）から斜め４５°へと移動し、斜め４５°から鉛直方向（真上）へと移動し、コンクリートを打設している様子を示している。いずれも、コンクリートの打設中、面板３１が、押当部材３２、４６により２つの支保工１３へ押し当てられ、２つの支保工１３に沿って湾曲した状態で保持されている。

図６は、平面施工時と曲面施工時における面板の様子を例示した図である。型枠装置１０は、支保工形状に対して柔軟に対応できる型枠装置である。型枠装置１０は、アーチ状の支保工１３のフランジ面に押当部材３２を隣接させるため、押当部材３２の押当面の向きを変えるべく、ヒンジ機構３３を有している。また、型枠装置１０は、面板３１が湾曲すると、押当部材３２間の距離が変化するため、片方のヒンジ機構３３を、スライド機構３４を介して支持体３０に連結している。さらに、型枠装置１０は、流し込まれたコンクリートによる圧力で面板３１を押し、支保工１３と面板３１との間に隙間を生じさせるため、シリンダ４５と押当部材４６とを設け、支保工１３と面板３１との間に隙間が生じないようにしている。

平面施工の場合、図６（ａ）に示すように、面板３１は、平らな状態で、ヒンジ機構３３も押当部材３２を回動せず、ヒンジ機構３３もスライド機構３４を滑動させず、シリンダ４５も押当部材４６を押し出していない。

曲面施工の場合、図６（ｂ）に示すように、面板３１が湾曲する。面板３１が湾曲すると、面板３１にボルトで固定された押当部材３２の押当面は、水平方向から上下方向へ傾いた状態になる。その状態にするため、ヒンジ機構３３が押当部材３２を回動させ、押当部材３２間の直線距離が変わることから、スライド機構３４が下側のヒンジ機構３３を滑動させる。

また、面板３１が湾曲すると、面板３１の中央部が支保工１３に沿って突出した状態になる。その状態で固定するため、シリンダ４５の棒を延ばし、押当部材４６を押し出す。

これまで、型枠装置１０および型枠装置１０を備えたコンクリート打設システムの構成やその機能について説明してきた。コンクリート打設システムを使用することで、トンネル周方向へ連続してコンクリートを打設することができる。このコンクリートの打設は、種々のセンサを型枠装置１０やエレクタ１１に取り付け、センサから得られた情報に基づき、種々の調整機構やシリンダを制御することで、自動で行うことができる。センサから得られる情報は、型枠装置１０やエレクタ１１の姿勢（傾き）や位置に関する情報である。

図７は、型枠装置１０に取り付けるセンサの種類と位置を説明する図である。型枠装置１０には、支持体３０のフレーム部３９に距離センサ６０が取り付けられる。

ガイドバー３５は、シリンダ３７、３８によりフレーム部３９へ近づき、または離れるように移動する。距離センサ６０は、エレクタキャッチ部４１の位置を基準とし、フレーム部３９から面板３１までの距離を検出する。なお、エレクタキャッチ部４１からフレーム部３９までの距離は変化しないので、エレクタキャッチ部４１の位置が分かれば、距離センサ６０により上記距離を検出することで、型枠装置１０の位置情報として面板３１の位置情報を得ることができる。エレクタキャッチ部４１の位置は、エレクタキャッチ部４１がエレクタ１１の先端にある把持部２７で把持されるのみであり、その長さが伸縮したり傾いても、エレクタ１１に取り付けた各種センサ類で型枠装置１０の位置を求めることができる。

型枠装置１０には、距離センサ６０のほか、傾斜センサを取り付け、型枠装置１０の傾きを検出してもよい。傾斜センサは、例えばガイドバー３５等に取り付けて使用することができる。

図８は、エレクタ１１に取り付けるセンサの種類と位置を説明する図である。ブーム２０を構成する第１のブーム２１の末端に、傾斜センサ７０と回転センサ７１とが取り付けられる。傾斜センサ７０は、調整機構２４による第１のブーム２１の上下方向の動きを傾きとして検出する。回転センサ７１は、調整機構２５による第１のブーム２１の左右への回動を角度として検出する。

第１のブーム２１に設けられる伸縮部２３に、距離センサ７２が取り付けられる。距離センサ７２は、伸縮部２３が最も収縮した状態を０とし、伸びた長さを検出する。

第２のブーム２２に、傾斜センサ７３と回転センサ７４とが取り付けられる。傾斜センサ７３は、調整機構２６による第２のブーム２２の上下方向の動きを傾きとして検出する。回転センサ７４は、調整機構２８による第２のブーム２２の左右への回動を角度として検出する。

把持部２７に、傾斜センサ７５が取り付けられる。傾斜センサ７５は、調整機構２９による把持部２７の上下方向の動きを傾きとして検出する。

エレクタ１１の先端位置は、エレクタ１１の末端位置が分かれば、伸縮部２３以外のブーム２０の長さ、傾斜センサ７０、回転センサ７１、距離センサ７２、傾斜センサ７３、回転センサ７４により検出された情報から求めることができる。

このようにして型枠装置１０やエレクタ１１の位置や姿勢を把握することで、型枠装置１０を所定の位置で滑らかに動かす操作性を確保でき、面板３１と支保工１３のフランジ面とが密着するように配置することができる。また、曲面となる支保工１３のフランジ面に対し、面板３１が自動で正対できる。さらに、制御方式をＰＬＣ制御とすることで、型枠装置１０の走行速度や姿勢調整の高度な制御も可能となる。

図９（ａ）に示すように、エレクタ１１の末端位置は、吹付機１２の位置を測定し、得られた吹付機１２の位置情報から求めることができる。吹付機１２の位置は、吹付機１２上の任意の位置とされ、施工を行う切羽付近に吹付機１２を配置し、トータルステーション等の測量機８０を使用し、位置座標が定まっている既知点を２〜３点用いて距離と水平方向および鉛直方向の角度を計測することにより求めることができる。測量機８０を使用して距離および角度を計測する方法はよく知られた方法であるため、ここでは詳述しない。

図９（ｂ）を参照して、コンクリート打設システムの制御の概要を説明する。吹付機１２上の測量機８０と、吹付機１２上の既知点８１、および少なくとも２点の位置座標が定まっている既知点８２、８３とを用いることにより、吹付機１２の位置を求めることができるが、測量する位置は、吹付機１２の位置に限られるものではなく、型枠装置１０の位置、エレクタ１１の先端位置や末端位置であってもよい。これらの位置が既知であれば、型枠装置１０やエレクタ１１に取り付けられたセンサにより検出された情報から吹付機１２の位置を計算することができるからである。ここでは、測量機８０により吹付機１２の位置を計測するものとして説明する。

吹付機１２をトンネル坑内の任意の位置に配置する。配置後、測量機８０と既知点８２、８３、吹付機１２上の既知点８１とを使用し、吹付機１２の位置を計測する。吹付機１２とエレクタ１１との相互の位置関係、エレクタ１１と型枠装置１０との相互の位置関係は既知であることを前提とする。

吹付機１２の位置が分かれば、型枠装置１０およびエレクタ１１に取り付けられたセンサにより得られる情報から、型枠装置１０の位置や向きが計算される。図９（ａ）に示す例では、トンネル軸方向に向いた吹付機１２に対し、エレクタ１１がトンネル軸方向に対して４５°の方向に延び、その長さＬが既知であり、型枠装置１０がエレクタ１１の延びる方向に対して４５°傾斜している。このため、型枠装置１０は、吹付機１２の位置からトンネル軸方向へＬ／√２、トンネル側壁方向へＬ／√２ほど移動した位置にあり、トンネル軸方向に対して９０°のトンネル側壁方向に向いていると計算される。

支保工１３のトンネル軸方向の位置、長さ、曲率等は既知である。型枠装置１０を支保工１３の所定位置にセットすれば、型枠装置１０の位置や向きが分かり、その位置や向きから、２つの支保工１３に跨るように隣接して配置されているかが分かる。すなわち、その位置や向きが、２つの支保工１３に跨る位置で、トンネル軸方向に平行で、かつトンネル周方向の接線に平行であれば、２つの支保工１３に跨るように隣接して配置されている。

このため、型枠装置１０の位置や向きを計算し、計算結果が所定の条件に適合しているか判断しながら、調整機構２４〜２６等により型枠装置１０の位置や向きを制御することで、型枠装置１０を２つの支保工１３に沿って移動させることができる。その際、多少の誤差が生じることがあるが、型枠装置１０は、シリンダ３７、３８を備えているため、これらのシリンダ３７、３８によりその誤差を吸収することができる。

図９（ａ）、（ｂ）に示した例では、吹付機１２の位置を、測量機８０を使用して計測したが、吹付機１２の位置が不明であっても、システムの制御は可能である。その方法について、以下に説明する。

吹付機１２をトンネル坑内の任意の位置に配置し、続いてエレクタ１１を用いて型枠装置１０を支保工１３の任意の位置にセットする。

次に、型枠装置１０が支保工１３のどの位置（高さ）にいるかの位置情報を与える。トンネル断面は、スプリングライン（S.L.）によりアーチ状の上半と下半とに分けられる。支保工１３の位置情報は、S.L.を基準とし、S.L.下１０ｍｍ等として与えることができる。支保工１３は、トンネル軸方向へ一定間隔で設置されるため、型枠装置１０を押し当てる支保工１３を特定することで、トンネル軸方向の位置情報を得ることができる。

与えられた位置情報と、センサから得られる情報とから、エレクタ１１や吹付機１２がトンネル坑内のどの位置にあるかを計算することができる。型枠装置１０の位置や向き、吹付機１２の位置が分かれば、上記のようにして２つの支保工１３に沿って型枠装置１０を移動させることができる。

図１０を参照して、システムの制御をより詳細に説明する。制御を開始する前の準備として、吹付機１２の座標を、本体座標（0,0,0）とし、本体座標から第１のブーム２１と吹付機１２との連結部分の座標を、ブーム基点座標（x1,y1,z1）とし、ブーム基点座標を決定する。本体座標からブーム基点座標までの距離および方向は、予め決められているため、それらの情報からブーム基点座標を決定する。また、エレクタ１１の先端位置として把持部２７の座標をブーム先端座標（x2,y2,z2）とし、センサから得られたブーム２０が延びる方向や傾き等により、ブーム先端座標を決定する。ここで決定したブーム先端座標は、初期値であり、各センサの値により変化する。

次に、吹付機１２の本体座標と向きを測定する。本体座標や向きは、測量機８０を用いて測定することができる。測量機による測量は、図９（ａ）、（ｂ）に示した既知点を用い、レーザを使用して行うもののほか、３Ｄスキャナを使用して行うことも可能である。また、本体座標や向きは、型枠装置１０を支保工１３に隣接するように配置し、支保工１３の位置情報や向きから求めることもできる。

第１のブーム２１は、作業員がもつリモートコントローラにより手動で制御される。作業員は、リモートコントローラを使用し、第１のブーム２１に取り付けられた調整機構２４、２５を制御し、型枠装置１０を支保工１３の所定位置にセットする。ここでは、第１のブーム２１を手動で制御するものとして説明するが、自動制御することも可能である。

システムは、本体座標と、各センサから得られる情報とに基づき、型枠装置１０の位置や向きを計算し、計算結果を基に、型枠装置１０の面板３１がトンネル軸方向と平行になるように、第２のブーム２２の上下方向の傾きや左右の角度を制御する。このとき、必要に応じて第１のブーム２１の伸縮部２３を伸縮させ、型枠装置１０が２つの支保工１３に跨り、隣接した状態を保持するように制御する。

また、システムは、各センサにより得られる情報に基づき、図１１に示すように、トンネル断面の中心と型枠装置１０とを繋ぐ線と、トンネル断面の中心と天端とを繋ぐ線とのなす角（円周角：θ）を計算し、得られた円周角に基づき、型枠装置１０の面板３１の面がトンネル円周の接線と平行になるように、把持部２７の傾きを制御する。計算に誤差が生じる場合、型枠装置１０のシリンダ３７、３８によりその誤差を吸収するように制御する。

図１２は、コンクリート打設による施工の流れを示したフローチャートである。型枠装置１０は、図４に示した混合装置５７が取り付けられ、ベースコンクリート、スラリー、可塑剤が準備され、供給可能な状態になっている。ステップ１００から開始し、ステップ１０１では、吹付機１２をトンネル坑内の任意の位置に配置する。ステップ１０２では、吹付機１２の位置を測定する。

ステップ１０３では、型枠装置１０を支保工１３の所定位置にセットする。ステップ１０４では、型枠装置１０が２つの支保工１３に跨り、隣接して配置されるようにエレクタ１１を制御する。ステップ１０５では、各材料を供給し、混合し、得られたコンクリートを打設する。ステップ１０６でコンクリートの打設を終了するかを判断する。終了するか否かは、例えばトンネルの天端に到達したかどうかにより判断することができる。なお、この条件は一例であるので、これに限られるものではない。

打設を終了しない場合、ステップ１０７で、型枠装置１０を移動させ、ステップ１０４へ戻り、コンクリートの打設を行う。この間、コンクリートの供給を停止してもよいし、継続していてもよい。

ステップ１０６で打設を終了する場合は、ステップ１０８へ進み、各材料の供給を停止してコンクリートの供給を停止する。そして、ステップ１０９で、２つの支保工１３間のトンネル周方向へのコンクリートの打設を終了する。次の２つの支保工１３間に打設する場合は、ステップ１００から施工を開始することができる。コンクリートの供給を停止した際、混合装置５７内を水洗し、内部に残留するコンクリートが固まり、流路を閉塞するのを防止することができる。

図１３は、図１２のステップ１０４のエレクタ１１の制御の流れを示したフローチャートである。ステップ２００から制御を開始し、ステップ２０１では、各センサから得られた情報に基づき、型枠装置１０の位置および向きを検出する。ステップ２０２では、検出結果に基づき、面板３１の面とトンネル軸方向（トンネル線形）とが平行かどうかを判断する。一定の傾斜誤差を設け、傾斜誤差以内であれば、平行と判断することができる。

平行でない場合、ステップ２０３へ進み、傾斜誤差内になるように、第２のブーム２２の傾きや左右の角度を制御する。

ステップ２０２で平行である場合、またはステップ２０３で調整が完了した後、ステップ２０４で、検出結果に基づき、型枠装置１０がトンネル軸方向へずれているかを判断する。２つの支保工１３に跨るように配置できれば、ずれていないと判断することができ、それ以外はずれていると判断することができる。なお、これに限られるものではなく、支保工１３に一定以上の幅で隣接する場合にずれていないと判断し、そうでない場合ずれていると判断することもできる。

ずれている場合、ステップ２０５へ進み、ずれをなくすように、第１のブーム２１の長さを制御し、型枠装置１０のトンネル軸方向への位置を調整する。

ステップ２０４でずれていない場合、またはステップ２０５で調整が完了した後、ステップ２０６へ進み、円周角を計算する。円周角は、第１のブーム２１、第２のブーム２２の傾きや、把持部２７に取り付けた傾斜センサ７５の値から計算することができる。ステップ２０７では、円周角から得られるトンネル円周の接線と、型枠装置１０の面板３１の面が平行かどうかを判断する。この場合も、一定の傾斜誤差を設け、傾斜誤差以内であれば、平行と判断することができる。この傾斜誤差は、ステップ２０２で使用した傾斜誤差と同じものを採用することができる。

平行でない場合、ステップ２０８へ進み、傾斜誤差内になるように、把持部２７の傾きを制御する。この場合も、把持部２７の傾きを制御することができる。ステップ２０７で平行である場合、またはステップ２０８で調整が完了した後、ステップ２０１へ戻る。この例では、トンネル軸方向と平行でない場合に第２のブーム２２を制御し、接線と平行でない場合に把持部２７を制御しているが、これに限られるものではない。また、制御の順序も、これに限られるものではなく、先にトンネル軸方向にずれているかを判断し、続いてトンネル軸方向に平行であるかを判断する等してもよい。

以上のようにして、システムを自動制御することができる。この自動制御により、エレクタ１１をゆっくり、細かく、スムーズに動作させることができ、コンクリートの仕上がり面が平滑となり、作業者の技量や経験に左右されにくくなる。

また、上記の可塑剤と急硬剤とを併用したコンクリートを用いることで、型枠装置１０内へのコンクリート充填性を改善し、コンクリート自体の品質や耐久性を向上させることができる。また、コンクリートの硬化が促進され、初期強度の発現性が良好で、型枠の早期脱型が可能となる。

型枠装置１０を使用し、流し込むことによりコンクリートを打設するため、粉塵の発生やリバウンドによるロスの発生を抑制することができる。

これまで本発明の型枠装置およびコンクリート打設システムを上述した実施形態をもって詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。したがって、コンクリート打設システムの制御方法やこのシステムを使用したコンクリートの打設方法等も提供することができるものである。

１０…型枠装置
１１…エレクタ
１２…吹付機
１３…支保工
１４…トンネル
１５…トンネル内面
１６…コンクリート打設領域
１７…コンクリート
２０…ブーム
２１…第１のブーム
２２…第２のブーム
２３…伸縮部
２４〜２６、２８、２９…調整機構
２７…把持部
３０…支持体
３１…面板
３２…押当部材
３３…ヒンジ機構
３４…スライド機構
３５、３６…ガイドバー
３７、３８…シリンダ
３９…フレーム部
４０…ヒンジ部
４１…エレクタキャッチ部
４２…突出部
４３…打設口
４４…管
４５…シリンダ
４６…押当部材
４７〜４９…ローラ
５０…バッチャープラント
５１…ミキサー
５２…ミキサー車
５３…圧送ポンプ
５４…耐圧ホース
５５、５８…容器
５６、５９…液体ポンプ
５７…混合装置
６０…距離センサ
７０、７３、７５…傾斜センサ
７１、７４…回転センサ
７２…距離センサ
８０…測量機
８１、８２、８３…既知点

Claims (6)

1. 移動可能な把持部を備えた建設機械に取り付けられる型枠装置であって、
   ２つの支保工に跨るように配置され、コンクリートの打設口を有する面板を備え、前記把持部により把持される型枠と、
   前記面板を２つの支保工へ押し当てる押当手段と
   を含む、型枠装置。
2. 前記押当手段は、
   前記支保工の長手方向に離間して配置され、前記面板を前記２つの支保工へ押し当てる第１および第２の押当部材と、
   前記第１の押当部材を前記型枠に回動可能に連結する第１のヒンジ機構と、
   前記第２の押当部材を回動可能に連結する第２のヒンジ機構と、
   前記第２のヒンジ機構を前記型枠に前記支保工の長手方向へ滑動可能に接続するスライド機構と
   を含む、請求項１に記載の型枠装置。
3. ２つの支保工に跨るように配置され、コンクリートの打設口を有する面板を備えた型枠と、
   前記面板を前記２つの支保工へ押し当てる押当手段と、
   前記打設口を通じてコンクリートを吹き付ける吹付手段と、
   前記型枠を把持する把持手段と、
   前記把持手段の位置を調整する調整手段と
   を含む、コンクリート打設システム。
4. ２つの支保工に跨るように配置され、コンクリートの打設口を有する面板を備えた型枠と、
   前記面板を前記２つの支保工へ押し当てる押当手段と、
   前記打設口を通じてコンクリートを吹き付ける吹付手段と、
   前記型枠を把持する把持手段と、
   前記把持手段の位置を検出する検出手段と、
   前記検出手段からの情報を取得し、前記把持手段の位置を調整する調整手段と
   を含む、コンクリート打設システム。
5. ２つの支保工に跨るように配置され、コンクリートの打設口を有する面板を備えた型枠と、
   前記面板を前記２つの支保工へ押し当てる押当手段と、
   前記打設口を通じてコンクリートを吹き付ける吹付手段と、
   前記型枠および前記押当手段を把持する把持手段と、
   前記把持手段の位置を検出する検出手段と、
   前記検出手段からの情報を取得し、前記把持手段の位置を調整する調整手段と
   を含む、コンクリート打設システム。
6. 前記押当手段は、
   前記支保工の長手方向に離間して配置され、前記面板を前記２つの支保工へ押し当てる第１および第２の押当部材と、
   前記第１の押当部材を前記型枠に回動可能に連結する第１のヒンジ機構と、
   前記第２の押当部材を回動可能に連結する第２のヒンジ機構と、
   前記第２のヒンジ機構を前記型枠に前記支保工の長手方向へ滑動可能に接続するスライド機構と
   を含む、請求項３〜５のいずれか１項に記載のコンクリート打設システム。

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