JP2022071844A - 吹付厚管理装置およびトンネル施工方法 - Google Patents
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Abstract
Description
吹付コンクリートは、設計(地山等級に応じた支保パターン等)に応じた吹付厚さを確保する必要がある。吹付コンクリートの吹付厚の管理は、吹付面積とリバウンドを考慮したコンクリート量を吹き付けることにより行うのが一般的である。また、吹付け後に、計測孔を削孔して、孔の深さを測定することにより吹付厚を確認する場合もある。しかしながら、吹付コンクリートの施工は、オペレータの技量に依存する部分が大きく、コンクリート量を管理しても、吹付厚にムラが生じる場合がある。また、計測孔を利用した吹付厚の測定は、事後確認であるため、施工中の管理に利用することはできない。
そのため、特許文献1には、吹付けノズルにレーザー装置を取り付け、レーザー装置から照射されたレーザー光の位置を含む画像を複数のカメラにより撮影し、当該画像から三次元座標を算出し、さらに、この三次元座標を利用して予め作成されたメッシュモデル上に撮影した画像を表示手段に表示し、表示手段の画像によりコンクリートの吹付状態を確認しながら吹付け作業を行う管理方法が開示されている。
また、非特許文献1には、吹付マシンに取り付けられたレーザー距離計によりトンネルの鏡面に設定された測点を測定し、吹付厚さが設定した厚さに達すると、緑色のレーザーを測点の近傍に照射する吹付厚さ管理システムが開示されている。オペレータは緑色のレーザー光を目安として、吹付を行う。
非特許文献1の吹付厚さ管理システムは、吹付厚さを確保しているか否かを把握できるものの、吹付厚の大きさをオペレータが把握することはできない。そのため、必要以上にコンクリートを吹き付けてしまうおそれがある。また、非特許文献1の吹付厚さ管理システムは、鏡部の吹付厚さを管理することを可能にしているものの、アーチ部(側部)の吹付厚さを管理するものではない。
この吹付厚管理装置を利用したトンネル施工方法は、鏡部またはアーチ部に対して任意に設定した計測点に対して、トンネル掘削により露出した地山面までの距離である初期距離値を前記レーザー距離計により測定する初期測定作業と、前記地山面に対して吹付コンクリートを吹き付ける吹付作業とを備えている。前記吹付作業では、前記レーザー距離計により前記吹付コンクリートの表面までの距離である吹付距離値を所定時間毎に測定し、前記初期距離値と前記吹付距離値とトンネル軸方向に対する前記レーザー距離計の角度とを利用して吹付厚さを算出し、前記吹付厚さに応じて前記レーザー照射手段から照射されるレーザー光の色およびレーザー光の点滅の有無の少なくとも一方を確認しながら吹付コンクリートを吹き付ける。
また、前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段が同一の取付部材を介して前記吹付マシンに取り付けられていれば、前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段の微調整等を同時に行うことができる。前記取付部材として、水平角度および鉛直角度の調整が可能で、かつ、前記水平角度および前記鉛直角度を視認可能なものを使用すれば、レーザー距離計およびレーザー照射手段の水平角度および鉛直角度が一目瞭然なため、調整が容易である。
また、前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段が、前面に粉塵防護ガラス材が設けられた防塵筐体に収納されていれば、施工時の粉塵による各機器への影響を最小限に抑えることができる。また、粉塵に対するメンテナンス(粉塵により影響を受けた部品の交換等)も容易である。
前記吹付距離値は、任意に設定した時間ピッチで測定した複数の測定値の移動平均値とし、この吹付距離値を利用して任意に設定した時間毎に前記吹付厚さを判定するとともに、前記レーザー照射手段から照射されるレーザー光の色および点滅の有無を制御するのが望ましい。
なお、トンネル掘削に伴って吹付マシンを移動させた際には、全てのレーザー距離計およびレーザー照射手段を作動させた状態で、前記吹付マシンの位置決めを行うことで、施工サイクル毎の切羽と吹付マシンとの位置関係が同等となるようにする。
制御手段6は、吹付マシン7の操作席71に設けられたスイッチを操作することにより作動し、レーザー距離計3よる距離の測定の開始や、レーザー照射手段4によるレーザー光の照射を制御する。
演算手段5による鏡部K1の吹付厚Lの算出は、以下の手順により行う。図5は、鏡部K1の吹付厚Lの算出用の説明図であって、(a)は縦断図、(b)は平面図である。
まず、式1により、レーザー距離計3によって測定された初期距離値L1から表面距離値L2を引いて、傾斜厚ΔLを算出する(図5(a)参照)。
次に、レーザー距離計3(レーザー光)の水平面に対する傾斜角θv(鉛直角度θv)と傾斜ΔLを用いて、式2により水平距離HL(図5(a)参照)を算出する。
そして、レーザー距離計3(レーザー光)のトンネル軸線方向に対する横方向の傾斜角θh(水平角度θh)と水平距離HLを利用して式3により吹付厚Lを算出する(図5(b)参照)。
ΔL=L2-L1 ・・・ 式1
HL=ΔL×cosθv ・・・ 式2
L=HL×cosθh ・・・ 式3
まず、式4により初期距離値L1から表面距離値L2を引いて、傾斜厚ΔLを算出する(図6(a)参照)。
次に、水平面に対するレーザー距離計3(レーザー光)の傾斜角θv(鉛直角度θv)と傾斜厚ΔLを用いて、式5により水平距離HLを算出し、式6により高さ方向距離ZLを算出する(図6(a)参照)。
さらに、水平距離HLと切羽面の法線に対するレーザー距離計3(レーザー光)の傾斜角θh(水平角度θh)を利用して、式7により厚さ方向距離YLを算出する(図6(b)参照)。
そして、三平方の定理を利用して、式8により吹付厚Lを算出する(図6(c)参照)。
ΔL=L2-L1 ・・・ 式4
HL=ΔL×cosθv ・・・ 式5
ZL=ΔL×sinθv ・・・ 式6
YL=HL×sinθh ・・・ 式7
L=(YL2+ZL2)1/2 ・・・ 式8
本実施形態のスイッチボックス21は、図7に示すように、セレクタスイッチ22と、第一表示灯23と、第二表示灯24を備えている。セレクタスイッチ22を操作することにより、吹付厚管理装置2の状態を設定する。例えば、吹付厚管理装置2に電源を入れた状態で、セレクタスイッチ22の左端(1の位置)に配置すると「停止状態」となり、第一表示灯23および第二表示灯24が消灯の状態となる。セレクタスイッチ22を2の位置に回すと、「準備状態」となり、第一表示灯23のみが点滅し、位置調整のためにすべてのレーザー距離計3およびレーザー照射手段4が点灯する。セレクタスイッチ22を3の位置に回すと、「測定状態」となり、第二表示灯24のみが点灯する。さらに、セレクタスイッチ22を4の位置に回すと、「中断状態」となり、第二表示灯24のみが点滅し、測定中断状態を示す。第一表示灯23と第二表示灯24は、異なる色(例えば、赤と緑)で点灯するのが望ましい。
レーザー距離計3およびレーザー照射手段4の微調整が終わったら、セレクタスイッチ22を3の位置(測定状態)に合わせ、レーザー距離計3により計測点Pにおけるコンクリートを吹き付ける前の初期値を測定する。
オペレータは、吹付厚さに応じてレーザー照射手段4から照射されるレーザー光の色により、各測定点において地山面に吹付けられた吹付コンクリート11の吹付厚さを確認しながら吹付マシン7を操作する(すなわち、吹付コンクリート11を吹き付ける)。ここで、レーザー光が赤色のときは吹付厚が不十分なため、吹付を継続し、赤と緑が照射されているときは所定の吹付厚に近付いていることから吹付を慎重に行い、緑色になったら、所定の吹付厚を確保したと判断し、吹付を停止する。また、レーザー光が点滅している場合は、所定の吹付厚を超えていることが推測されるため当該測定点付近での吹付を停止する(他の位置で吹付を行う)。
また、演算手段5は、吹付厚が予め入力された異常値フィルタ閾値を超えると、フィルタ機能が作動して、異常値として表示するとともに、異常値を除外した算定が可能となる。異常値フィルタ閾値は、鏡部(切羽)とアーチ部(側壁)に対してそれぞれ入力可能である(図8参照)。また、異常値フィルタ閾値は、絶対値と相対値の両方にかけることが可能である。
吹付作業中において、装置に不具合が生じるなど、作業を中断する必要が生じた場合には、スイッチボックスのセレクタスイッチ22を4の位置に合わせて中断状態にする。
また、オペレータは、レーザー照射手段4から照射されたレーザー光の色の変化(色の組み合わせの変化も含む)やレーザー光の点滅の有無によって吹付厚さをリアルタイムで把握できるため、必要以上にコンクリートを吹き付けることや、吹付厚が不足することを抑制制できる。所定の厚さで鏡部およびアーチ部K2に対して吹付コンクリート11を吹き付けることで、切羽における作業の安全性を向上させることができる。
レーザー距離計3およびレーザー照射手段4が、吹付マシン7の操作席71の近傍に設置されているため、吹付マシン7のオペレータが操作席71に座ったまま手を伸ばす、あるいは操作席71で立ちあがって手を伸ばすことによりレーザー距離計3やレーザー照射手段4の向きの微調整ができる。そのため、オペレータが操作席71から離れて、各装置の微調整を行う手間を省略または低減でき、作業の効率化を図ることができる。
また、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4が、防塵筐体31,42に収納されているため、施工時の粉塵による各機器への影響を最小限に抑えることができる。例えば、レーザー距離計3の受光部に粉塵が付着することで測定不能になることを防止できる。また、粉塵に対するメンテナンス(粉塵により影響を受けた粉塵防護ガラス材32,43の交換等)も容易である。
レーザー照射手段4は、計測点Pの近傍にレーザー光を照射することで、レーザー距離計3が誤ってレーザー照射手段4から照射されたレーザー光の反射光を受光することを防止している。
装置の位置決めを全てのレーザー光を点灯させた状態で行うことで、トンネル断面に対する機械の位置を統一させることができる。
支保構造1の構成は限定されるものではなく、地山状況に応じて適宜決定すればよい。例えば、鋼製支保工12やロックボルト13を省略してもよいし、フォアポーリング、AGF、パイプルーフ、薬液注入などの補助工法を付加してもよい。
レーザー距離計3およびレーザー照射手段4の数および配置は適宜決定すればよい。また、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4は、必ずしも同一の取付部材8に設置する必要はない。
前記実施形態では、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4がそれぞれ第一防塵筐体31と第二防塵筐体42とに収納されている場合について説明したが、レーザー距離計3およびレーザー照射手段4は、図9(a)および(b)に示すように、同一の防塵筐体30内に並設されていてもよい。
また、レーザー距離計3またはレーザー照射手段4(防塵筐体30)を吹付マシン7に取り付ける取付部材(雲台)8は、図11に示すように、水平角度および鉛直角度の調整が可能であるのが望ましい。このような取付部材8を使用することで、水平角度または鉛直角度を適宜調整することで、微調整を行う。そのため、装置の水平角度が一目瞭然となる他、位置調整時に鉛直角度のみで調整できるため、初期値で水平角度を登録すれば、その後は自動測定が可能となる。このとき、取付部材8は、水平角度および鉛直角度を視認するための目盛82が付されているのが望ましい。
レーザー距離計3およびレーザー照射手段4は、防塵性を有していれば、防塵筐体に収納されていなくてもよい。
11 吹付コンクリート
12 鋼製支保工
13 ロックボルト
2 吹付厚管理装置
3 レーザー距離計
31 第一防塵筐体
32 粉塵防護ガラス材
4 レーザー照射手段
41 投光器
42 第二防塵筐体
43 粉塵防護ガラス材
5 演算手段
6 制御手段
7 吹付マシン
71 操作席
8 取付部材
81 治具
82 目盛
G 地山
K 切羽
K1 鏡部
K2 アーチ部
T トンネル
この吹付厚管理装置を利用したトンネル施工方法は、鏡部またはアーチ部に対して任意に設定した計測点に対して、トンネル掘削により露出した地山面までの距離である初期距離値を前記レーザー距離計により測定する初期測定作業と、前記地山面に対して吹付コンクリートを吹き付ける吹付作業とを備えている。前記吹付作業では、前記レーザー距離計により前記吹付コンクリートの表面までの距離である吹付距離値を所定時間毎に測定し、前記初期距離値と前記吹付距離値とトンネル軸方向に対する前記レーザー距離計の角度とを利用して吹付厚さを算出し、前記吹付厚さに応じて前記レーザー照射手段から照射されるレーザー光の色およびレーザー光の点滅の有無の少なくとも一方を確認しながら吹付コンクリートを吹き付ける。
Claims (9)
- トンネル切羽における鏡部およびアーチ部の少なくとも一方に対して任意に設定した計測点までの距離を測定するレーザー距離計と、
前記計測点の近傍にレーザー光を照射するレーザー照射手段と、
前記レーザー距離計の測定結果から吹付厚さを算出する演算手段と、を備える吹付厚管理装置であって、
前記レーザー距離計は、トンネル掘削により露出した地山面までの初期距離と、前記地山面に吹き付けられた吹付コンクリートの表面までの吹付距離を測定し、
前記演算手段は、前記初期距離と前記吹付距離に基づいて前記吹付厚さを算出し、
前記レーザー照射手段は、前記吹付厚さに応じてレーザー光の色を変化させる、または、レーザー光の連続照射と点滅照射とを切り替えることを特徴とする、吹付厚管理装置。 - 前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段は、吹付マシンの操作席の近傍に設置されていて、前記吹付マシンのオペレータにより向きの微調整が可能であることを特徴とする、請求項1に記載の吹付厚管理装置。
- 前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段は、同一の取付部材を介して前記吹付マシンに取り付けられていることを特徴とする、請求項2に記載の吹付厚管理装置。
- 前記取付部材は、水平角度および鉛直角度の調整が可能で、かつ、前記水平角度および前記鉛直角度を視認可能であることを特徴とする、請求項3に記載の吹付厚管理装置。
- 前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段は、前面に粉塵防護ガラス材が設けられた防塵筐体に収納されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の吹付厚管理装置。
- 前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段の作動を制御するスイッチボックスをさらに備えており、
前記スイッチボックスは、消灯の状態となる停止状態と、全ての前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段が点灯する準備状態と、前記レーザー距離計による測定および前記レーザー照射手段による照射を行う測定状態と、前記レーザー距離計による測定および前記レーザー照射手段による照射を停止する中断状態と、に切替可能であることを特徴とする、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の吹付厚管理装置。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の吹付厚管理装置を利用したトンネル施工方法であって、
鏡部またはアーチ部に対して任意に設定した計測点に対して、トンネル掘削により露出した地山面までの距離である初期距離値を前記レーザー距離計により測定する初期測定作業と、
前記地山面に対して吹付コンクリートを吹き付ける吹付作業と、を備えており、
前記吹付作業では、
前記レーザー距離計により前記吹付コンクリートの表面までの距離である吹付距離値を所定時間毎に測定し、
前記初期距離値と、前記吹付距離値と、トンネル軸方向に対する前記レーザー距離計の角度とを利用して吹付厚さを算出し、
前記吹付厚さに応じて前記レーザー照射手段から照射されるレーザー光の色およびレーザー光の点滅の有無の少なくとも一方を確認しながら吹付コンクリートを吹き付けることを特徴とする、トンネル施工方法。 - 前記吹付距離値は、任意に設定した時間ピッチで測定した複数の測定値の移動平均値であり、
任意に設定した時間毎に前記吹付厚さを判定し、前記レーザー照射手段から照射されるレーザー光の色および点滅の有無を制御することを特徴とする、請求項7に記載のトンネル施工方法。 - トンネル掘削に伴って吹付マシンを移動させた際に、全てのレーザー距離計およびレーザー照射手段を作動させた状態で、前記吹付マシンの位置決めを行うことを特徴とする、請求項7または請求項8に記載のトンネル施工方法。
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