JP4452054B2 - 被膜材の吹付方法 - Google Patents
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(1)吹付ノズルから単位時間当たりに吐出される被膜材の吐出量と、吹付範囲が往復移動において上端位置と下端位置との間を一方向に移動するための時間とを掛けることにより、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に吹き付けられる被膜材の吹付量を算出する吹付量算出段階と、
(2)吹付量算出段階で算出した吹付量から、被膜材を壁面に吹き付けた際に、被膜材が跳ね返る分量を除くことにより、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着する被膜材の付着量を算出する付着量算出段階と、
(3)吹付範囲の形状寸法と、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際の移動距離とに基づいて、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着する被膜材の付着面積を算出する付着面積算出段階と、
(4)付着量算出段階で算出した付着量を、付着面積算出段階で算出した付着面積によって除することにより、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着する被膜材の厚さを算出する付着厚さ算出段階と、
(5)壁面に付着させる被膜材の厚さの設計値を、付着厚さ算出段階で算出した被膜材の厚さによって除することにより、被膜材の塗り重ね回数を算出する塗り重ね回数算出段階と、
(6)吹付範囲の延長方向の幅を、塗り重ね回数算出段階で算出した塗り重ね回数によって除することにより、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させる間に、吹付範囲を延長方向の一方に向けて移動させる移動距離を算出する移動距離算出段階と、
(7)移動距離算出段階で算出した延長方向への移動距離を、吹付範囲が往復移動において上端位置と下端位置との間を一方向に移動するための時間によって除することにより、吹付範囲の延長方向への移動速度を算出する移動速度算出段階と、
(8)吹付ノズルと壁面との距離を一定に保ちつつ、トンネルの壁面を上下に等角度で分割した所定面積の領域ごとに、吹付ノズルを上下方向に往復移動させるとともに、移動速度算出段階で算出した移動速度で吹付範囲を延長方向の一方に向けて移動させながら、吹付ノズルから被膜材を壁面に吹き付け、吹付ノズルの延長方向の移動を、上下に隣接した領域ごとに反対方向に進行させる吹付段階と、を含むことを特徴する。
また、吹付ノズルを壁面と一定の距離を保ちつつ、壁面に沿って移動させることにより、壁面上の吹付範囲が常に一定の面積になるように構成することが好ましい。さらに、吹付ノズルが壁面に対して垂直に被膜材を吹き付けるように構成することにより、被膜材が壁面で跳ね返る分量を少なくすることが好ましい。
なお、本願発明では、上下方向に往復移動している吹付範囲を所定の速度で延長方向に移動させることにより、付着面積の一部範囲を壁面上で重複させて被膜材を塗り重ねており、吹き付け作業の開始時および終了時には、付着面積を設定された塗り重ね回数だけ壁面上で重複させることなく、吹付範囲が延長方向に移動してしまうため、被膜材が設計値の厚さに塗り重ねられない状態となってしまう。そこで、吹き付け作業の開始時および終了時には、吹付範囲を延長方向に移動させることなく、吹付範囲を上下方向に往復移動させて設定された塗り重ね回数だけコンクリートを壁面に吹き付けた後に、吹付範囲を延長方向に移動させることにより、壁面全体を均一の厚さで被膜することができる。
本実施形態では、コンクリート吹付装置を用いてトンネルの壁面にコンクリート(請求項における「被膜材」)を吹き付ける場合を想定して説明する。なお、この実施形態では、図1(a)の左側を前方とし、右側を後方としている。
コンクリート吹付装置1は、図1(a)に示すように、4輪のタイヤ2によって前後方向に走行可能なベースマシン3と、ベースマシン3上に設けられており、コンクリートが貯蔵されているコンクリートタンク(図示せず)と、コンクリートを壁面に吹き付けるためのロボットアーム10と、コンクリートタンク内のコンクリートを供給ホース(図示せず)を介してロボットアーム10に圧送するためのコンプレッサ4と、作業員がベースマシン3およびロボットアーム10を操作するための操作盤が配置されている運転席5とを備えている。
ロボットアーム10は、図1(a)に示すように、トンネルの延長方向の軸周りに回動可能な状態でベースマシン3の前部に取り付けられている基部11と、前後方向に軸方向が配置され、トンネルの幅員方向の回転軸を有しており、トンネルの上下方向に回動可能となるようにして後端部が基部11に軸支されている回動アーム12と、トンネルの幅員方向の回転軸を有し、回動アーム12の前端部に上下方向に回動可能となるようにして軸支されており、前後方向に伸縮可能な水平ビーム13と、コンクリートを吐出可能な吐出口14を有し、水平ビーム13の前端部に上下方向および幅員方向に回動可能な状態で取り付けられている吹付ノズル15とを備えている。
また、図2(c),(d)に示すように、吹付ノズル15を上下方向に回動させることにより、吹付範囲Aを上下方向に往復移動させることができるように構成されている。さらに、水平ビーム13(図1(a)参照)を伸縮させて吹付ノズル15をトンネルの延長方向に移動させることにより、吹付範囲Aを延長方向に移動させることができる。
そして、吹き付け作業時には、図3(a)に示すように、吹付範囲を上下方向に往復移動させるとともに、延長方向に移動させることにより、吹付範囲Aの中心が壁面上で波状の軌跡A’を通るように構成されている。
また、吹き付け作業時には、図2(a),(b)に示すように、吹付ノズル15の吐出口14が、壁面と一定の距離を保ちつつ、壁面に沿って移動するように構成されており、壁面上の吹付範囲Aが常に一定の面積となっている。
具体的に説明すると、各油圧シリンダには油量の変化を計測するセンサが取り付けられており、制御部は各油圧シリンダの油量の変化からロボットアーム10の動作状態を把握することができる。さらに、制御部は、予め入力されているトンネルの断面形状と、トンネル内におけるロボットアーム10の位置とに基づいて、各油圧シリンダの油量を調整し、吹き付け作業時に吹付ノズル15が壁面と一定の距離を保ちつつ、壁面にコンクリートを垂直に吹き付けるようにしてロボットアーム10の姿勢を調整するように構成されている。
なお、本実施形態の吹付ノズル15では、図2(b)に示すように、壁面に吐出されたコンクリートの付着範囲が円形となっている。
まず、吹付ノズルから単位時間当たりに吐出されるコンクリートの吐出量、コンクリートを壁面に吹き付けた際にコンクリートが跳ね返る分量、およびコンクリートの厚さの設計値、トンネルの断面形状をコンクリート吹付装置1の制御部に入力する。
さらに、吹付範囲の直径、吹付範囲の面積、吹付範囲が往復移動において上端位置と下端位置との間を一方向に移動するための時間、および吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際の移動距離をコンクリート吹付装置1の制御部に入力する。
また、制御部では、吹付ノズル15から単位時間当たりに吐出されるコンクリートの吐出量と、吹付範囲が往復移動において上端位置と下端位置との間を一方向に移動するための時間とを掛けることにより、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に吹き付けられるコンクリートの吹付量を算出する。
さらに、制御部では、吹付量算出段階で算出した吹付量から、コンクリートを壁面に吹き付けた際に、コンクリートが壁面から跳ね返る分量を除くことにより、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着するコンクリートの付着量を算出する。
また、制御部では、図2(b),(d)に示すように、吹付範囲Aの形状寸法と、吹付範囲Aを往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際の移動距離とに基づいて、吹付範囲Aを往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着するコンクリートの付着面積Bを算出する。
続いて、制御部では、付着量算出段階で算出した付着量を、付着面積算出段階で算出した付着面積Bによって除することにより、吹付範囲Aを往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着するコンクリートの厚さを算出する。
また、制御部では、壁面に付着させるコンクリートの厚さの設計値を、付着厚さ算出段階で算出したコンクリートの厚さによって除することにより、コンクリートの塗り重ね回数を算出する。このとき、コンクリートを壁面に吹き付けた際に跳ね返る分量を考慮して、実際に壁面に付着するコンクリートの厚さを算出しているため、コンクリートの塗り重ね回数を正確に算出することができる。
さらに、制御部は、吹付範囲Aの直径を、塗り重ね回数算出段階で算出した塗り重ね回数によって除することにより、吹付範囲Aを往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させる間に、吹付範囲Aを延長方向の一方に向けて移動させる移動距離を算出する。
そして、制御部は、移動距離算出段階で算出したトンネルの延長方向への移動距離を、吹付範囲Aが往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動するための時間によって除することにより、吹付範囲Aの延長方向への移動速度を算出する。すなわち、コンクリートの塗り重ね回数に基づいて、吹付範囲Aの延長方向への移動速度が算出される。
その後、制御部は、図3(a)に示すように、設定されている速度で吹付ノズル15を上下方向に往復移動させるとともに、移動速度算出手段で算出した移動速度で吹付ノズル15を延長方向の一方に向けて移動させながら、吹付ノズル15からコンクリートを壁面に吹き付ける。
これにより、壁面上を縦方向に往復移動している吹付範囲は、図3(b)に示すように、付着面積Bの一部範囲を算出した塗り重ね回数だけ重複させながら壁面上を延長方向の一方に移動するため、コンクリートを設計値の厚さで壁面に付着させることができる。
さらに、一区間Cの吹き付け作業が完了した後に、コンクリート吹付装置1を延長方向に移動させ、順次に隣接する他の区間の吹き付け作業を行うことにより、トンネル全体の壁面にコンクリートを付着させる。
本実施例では、前記実施形態のコンクリート吹付装置1を用いて、所定形状のトンネルの壁面にコンクリートを吹き付ける場合について説明する。
また、吹付ノズル15(図1(b)参照)から単位時間当たりに吐出されるコンクリートの吐出量は0.0056m3/sに設定されている。さらに、吹付ノズル15による吹付範囲の直径は、図2(b)に示すように0.3mに設定され、その面積は0.07m2となっている。
また、吹付ノズル15を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際の吹付範囲の移動距離は、図2(d)に示すように、0.7mに設定されており、吹付ノズル15が往復移動において上端位置と下端位置との間を一方向に移動するための時間は0.48秒に設定されている。
なお、コンクリートの厚さの設計値は0.05mに設定されている。さらに、コンクリートを壁面に吹き付けた際にコンクリートが跳ね返る分量は、吹付ノズル15からの吐出量の10%となっている。
まず、吹付ノズルから単位時間当たりに吐出されるコンクリートの吐出量、コンクリートを壁面に吹き付けた際にコンクリートが跳ね返る分量、およびコンクリートの厚さの設計値、トンネルの断面形状をコンクリート吹付装置1の制御部に入力する。
さらに、吹付範囲の直径、吹付範囲の面積、吹付範囲が往復移動において上端位置と下端位置との間を一方向に移動するための時間、および吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際の移動距離をコンクリート吹付装置1の制御部に入力する。
次に、図1(b)に示すように、トンネルの延長方向に通過しているガイドレーザーを捕捉可能な状態で、コンクリート吹付装置1をトンネル内に配置する。
また、制御部では、以下の式1によって、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に吹き付けられるコンクリートの吹付量を算出する。
E0=E・T (式1)
(式中、E0は吹付量、Eは単位時間当たりに吐出されるコンクリートの吐出量、Tは吹付範囲が往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動するための時間を表す)
そして、式1に各数値を代入すると、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に吹き付けられるコンクリートの吹付量は、0.0027m3となる。
さらに、制御部では、以下の式2によって、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着するコンクリートの付着量を算出する。
F=E0・(1−G) (式2)
(式中、Fは付着量、E0は吹付量算出段階で算出した吹付量、Gはコンクリートが壁面から跳ね返る分量を表す)
そして、式2に各数値を代入すると、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着するコンクリートの付着量は、0.0024m3となる。
また、制御部では、以下の式3によって、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着するコンクリートの付着面積Bを算出する(図2(d)参照)。
B=A/2+H・I+A/2 (式3)
(式中、Bは付着面積、Aは吹付範囲の面積、Hは吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際の移動距離、Iは吹付範囲の直径を表す)
そして、式3に各数値を代入すると、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着するコンクリートの付着面積は、0.28m2となる。
続いて、制御部では、以下の式4によって、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着するコンクリートの厚さを算出する。
J=F/B (式4)
(式中、Jはコンクリートの厚さ、Fは付着量算出段階で算出した付着量、Bは付着面積算出段階で算出した付着面積を表す)
そして、式4に各数値を代入すると、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、壁面に付着するコンクリートの厚さは、0.0086mとなる。
また、制御部では、以下の式5によって、コンクリートの塗り重ね回数を算出する。
K=L/J (式5)
(式中、Kは塗り重ね回数、Lはコンクリートの厚さの設計値、Jは付着厚さ算出段階で算出したコンクリートの厚さを表す)
そして、式5に各数値を代入すると、コンクリートの塗り重ね回数は6回、すなわち、吹付ノズル15(図2(c)参照)を上下方向に3往復させることにより、コンクリートを設計値の厚さ以上で付着させることができる。このとき、吹き付けたコンクリートの厚さが設計値以上となるが、設計値に近似した値であるため、壁面の重量増加や余分なコンクリートの吹き付けによる施工費用の増加など、施工に影響を与えるものではない。
さらに、制御部は、以下の式6によって、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させる間に、吹付範囲を延長方向の一方に向けて移動させる移動距離を算出する。
M=I/K (式6)
(式中、Mは移動距離、Iは吹付範囲の直径、Kは塗り重ね回数算出段階で算出した塗り重ね回数を表す)
そして、式6に各数値を代入すると、吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させる間に、吹付範囲を延長方向の一方に向けて移動させる移動距離は0.05mとなる。
また、制御部は、以下の式7によって、吹付範囲の延長方向への移動速度を算出する。
N=M/T (式7)
(式中、Nは移動速度、Mは移動距離算出段階で算出した移動距離、Tは吹付範囲が往復移動において上端位置と下端位置との間を一方向に移動するための時間を表す)
そして、式7に各数値を代入すると、吹付範囲の延長方向への移動速度は、0.1m/sとなる。
その後、制御部は、図3(a)に示すように、吹付ノズル15を上下方向に往復移動させるとともに、移動速度算出手段で算出した移動速度で吹付ノズル15を延長方向の一方に向けて移動させながら、吹付ノズル15(図1(b)参照)から壁面にコンクリートを吹き付ける。なお、一区間Cを移動する時間は、(5.0m−0.3m)÷0.1m/s=47秒となる。
続いて、一区間Cの吹き付け作業が完了した後に、コンクリート吹付装置1をトンネルの延長方向に移動させ、順次に隣接する他の区間の吹き付け作業を行うことにより、トンネル全体の壁面に設計値の厚さでコンクリートを付着させる。
3 ベースマシン
10 ロボットアーム
14 吐出口
15 吹付ノズル
A 吹付範囲
B 付着面積
Claims (1)
- 予め求められたトンネルの断面形状に基づいて、前記トンネルの壁面に吹き付けられる被膜材の吹付範囲が一定となるように、前記トンネルの壁面との距離を一定に保ちつつ、前記トンネルの壁面に前記吹付範囲で前記被膜材を吹き付け可能であり、前記吹付範囲を前記トンネルの上下方向に往復移動させるとともに、前記吹付範囲を前記トンネルの延長方向に移動可能な吹付ノズルを用いた被膜材の吹付方法であって、以下の段階を含むことを特徴とする被膜材の吹付方法。
(1)前記吹付ノズルから単位時間当たりに吐出される前記被膜材の吐出量と、前記吹付範囲が往復移動において上端位置と下端位置との間を一方向に移動するための時間とを掛けることにより、前記吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、前記壁面に吹き付けられる前記被膜材の吹付量を算出する吹付量算出段階。
(2)前記吹付量算出段階で算出した前記吹付量から、前記被膜材を前記壁面に吹き付けた際に、前記被膜材が跳ね返る分量を除くことにより、前記吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、前記壁面に付着する前記被膜材の付着量を算出する付着量算出段階。
(3)前記吹付範囲の形状寸法と、前記吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際の移動距離とに基づいて、前記吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、前記壁面に付着する前記被膜材の付着面積を算出する付着面積算出段階。
(4)前記付着量算出段階で算出した前記付着量を、前記付着面積算出段階で算出した前記付着面積によって除することにより、前記吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させた際に、前記壁面に付着する前記被膜材の厚さを算出する付着厚さ算出段階。
(5)前記壁面に付着させる前記被膜材の厚さの設計値を、前記付着厚さ算出段階で算出した前記被膜材の厚さによって除することにより、前記被膜材の塗り重ね回数を算出する塗り重ね回数算出段階。
(6)前記吹付範囲の前記延長方向の幅を、前記塗り重ね回数算出段階で算出した前記塗り重ね回数によって除することにより、前記吹付範囲を往復移動において上端位置と下端位置との間で一方向に移動させる間に、前記吹付範囲を前記延長方向の一方に向けて移動させる移動距離を算出する移動距離算出段階。
(7)前記移動距離算出段階で算出した前記延長方向への移動距離を、前記吹付範囲が往復移動において上端位置と下端位置との間を一方向に移動するための時間によって除することにより、前記吹付範囲の前記延長方向への移動速度を算出する移動速度算出段階。
(8)前記吹付ノズルと前記壁面との距離を一定に保ちつつ、前記トンネルの壁面を上下に等角度で分割した所定面積の領域ごとに、前記吹付ノズルを前記上下方向に往復移動させるとともに、前記移動速度算出段階で算出した前記移動速度で前記吹付範囲を前記延長方向の一方に向けて移動させながら、前記吹付ノズルから前記被膜材を前記壁面に吹き付け、前記吹付ノズルの前記延長方向の移動を、上下に隣接した前記領域ごとに反対方向に進行させる吹付段階。
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