JP5763836B2 - 穿孔計画を設計するための方法及び設備 - Google Patents

Description

本発明は、岩盤空洞掘削のための穿孔計画を設計するための方法に関し、この穿孔計画は、予め定められた座標系における複数のドリル孔の少なくとも位置を、トンネル工事面において穿孔される穿孔岩塊（round）のために前もって決定し、この方法は、コンピュータ支援設計プログラムによって穿孔計画を作成する。本発明は、さらに、岩盤穿孔装置により岩盤空洞を掘削するための穿孔計画を設計するための設備に関し、この岩盤穿孔装置は、取り付けられた岩盤穿孔機器を有する一つ以上の穿孔ブームと、穿孔を制御するための制御機器とを具備し、本発明の設備は、穿孔計画を設計又は変更するためのコンピュータを具備し、それにより、穿孔計画において、予め定められた座標系における複数のドリル孔の少なくとも位置が、穿孔される穿孔岩塊のために前もって決定される。

トンネル、地下貯蔵サイロ、及び他の岩盤施設が複数の穿孔岩塊で掘削される。トンネル工事面において、複数のドリル孔が穿孔されて穿孔後に装薬されて発破される。一回の発破は、一つの穿孔岩塊に等しい量の岩盤物質を岩盤から引き離す。岩盤空洞を掘削するために、前もって計画が成され、特に岩盤の種類についての情報が確かめられる。一般的に、岩盤空洞の注文者は、掘削される空洞のための様々な品質要求も設定する。

面穿孔が、器具を備える岩盤穿孔機構によって実施されるときに、事務所作業として、一般的に、穿孔岩塊を穿孔するための穿孔計画が設計され、この穿孔計画においては、穿孔岩塊を発破するために提供される装薬計画に進行の注意も払われる。この穿孔計画は、制御コンピュータによって使用されるべく岩盤穿孔装置に供給される。この穿孔計画は、所望の穿孔岩塊が形成可能なように、岩盤にドリル孔を穿孔するための制御指令として役立つ。

穿孔計画、穿孔、及び装薬の成功は、特に、穿孔岩塊ごとの引き離し量によって判断され、この引き離し量は、穿孔計画における計画長さに対する発破後のトンネルの前進の割合を指している。例えば、８８パーセントから９５パーセントへ引き離し量を改善することは、空洞形成計画において、かなりの費用節約を意味する。実際問題として、最適な引き離し量は、穿孔計画、ここではドリル孔の位置、方向、及び数と、発破数削減と、異なる計画の領域における特別な装薬とを含む要因を変更することによって、見出されるものである。

穿孔計画を設計するために、設計者を穿孔計画の作成において支援する進歩した設計プログラムが存在する。こうして、穿孔計画の設計は、設計者と設計プログラムとの間の対話式の作業である。

穿孔計画、及び連続する計画の作成、及びトンネル工事作業中の計画の精査は、例えば、発破技術に照らして様々に展開されてきた。従来技術は、例えば、国際公開第２００８／０７８００１号パンフレットによって代表される。

実際問題として、穿孔岩塊の発破において、孔の位置及び大きさと発破装薬量とが既知の事実と可能性とに基づいて計画されるが、発破の結果は設計計画を満足させないことが認められる。典型的には、発破後に引き離された物質が除去されたときに、残存する岩盤表面は、発破後に得られるはずの理論上の表面からかなりずれることが認められるかもしれない。これは、岩盤の破壊特性及び硬度、又は十分な精度を持って前もって知ることができない幾つかの他の要因のような複数の異なる要因から結果として生じているかもしれない。しかしながら、結果として掘削効率は悪化し、次にこれは実際にかなりの追加費用をもたらす。

国際公開第２００８／０７８００１号パンフレット

本発明の目的は、以前よりも良好に状態を考慮して穿孔計画を作成するための方法及び設備を提供することであり、その結果として、トンネルが、以前よりも効率的且つ正確に掘削され得る。本発明の方法は、穿孔に関して、複数の孔の少なくとも幾つかの孔の終点の位置を決定し、決定された孔の終点の位置を記憶装置に記憶させ、決定された孔の終点の位置と穿孔岩塊の発破後に残存する岩盤の形状とに基づいて発破された穿孔岩塊の引き離し量を決定し、このように決定された引き離し量に基づいて次の穿孔岩塊の穿孔計画を設計又は変更することによって特徴付けられる。

本発明の設備は、本設備が、複数の孔の少なくとも幾つかのための終点の位置を突き止めるための手段と、決定された孔の終点の位置を記憶装置に記憶させるための手段と、穿孔岩塊の発破後に残存する岩盤の形状を決定するための手段とを具備し、それにより、発破された穿孔岩塊の引き離し量をドリル孔の決定された終点の位置と穿孔岩塊の発破後に残存する岩盤の形状とに基づいて決定することができ、穿孔計画が、このように決定された引き離し量に基づいて設計又は変更され得ることによって特徴付けられる。

本発明の考え方は、一つ以上の連続する穿孔岩塊のための穿孔計画を設計することにおいて、前回発破された穿孔岩塊のドリル孔の終点の位置と、穿孔される新たな孔の始点の位置との間の差が考慮されることである。さらに、この考え方は、これらの差に基づいて変更が成されることである。

本発明は、前回発破された穿孔岩塊に発破後に表われた、計画からのずれを考慮することによって、続く穿孔岩塊のためのより適切でより効率的な穿孔計画を完成することを可能とし、これは、その結果として、穿孔岩塊の引き離し量を増大し、従ってトンネル工事進行全体の効率を高めて費用を低減する。したがって、岩盤特性の変化が、作業全体において以前より良好に考慮されるかもしれない。
本発明の幾つかの実施形態が、添付図面においてより詳細に説明されるであろう。

岩盤穿孔装置を側面図において、及び穿孔計画を設計するための典型的には岩盤穿孔装置から独立した手段を概略的に図示している。 掘削されるトンネルの方向に見た穿孔計画を概略的に図示している。 原則的な穿孔計画の概略平面図である。 発破後の穿孔岩塊の実際の状態の概略平面図である。 発破後の穿孔岩塊の実際の状態の概略平面図である。 二つの連続する穿孔岩塊の状態の概略斜視図である。 二つの連続する穿孔岩塊の状態の概略斜視図である。 二つの連続する穿孔岩塊の状態の概略斜視図である。 二つの連続する穿孔岩塊の状態の概略斜視図である。

これら図面において、本発明の幾つかの実施形態は、明瞭にするために簡素化されて図示されている。これら図面において、同じ参照番号は同じ部材を示している。

図１は、移動可能車両２と一つ以上の穿孔ブーム３とを、穿孔ブーム３に配置された穿孔機器４と共に具備する岩盤穿孔装置１を図示している。穿孔機器４は、送給梁材５を具備し、この送給梁材上において、岩盤穿孔機６が送給装置によって移動せしめられ得る。穿孔機器４は工具７をさらに有し、この工具によって、岩盤穿孔機により送出される衝突脈動が穿孔される岩盤に伝達される。岩盤穿孔装置１は、岩盤穿孔装置１に含まれる制御作動装置に構成された少なくとも一つの制御機器８をさらに具備している。制御機器８は、コンピュータ又はその類似装置であってよく、制御機器８へ指令及び情報を与えるための制御手段と共に表示装置を有する使用者インターフェイスを具備する。

一般的に、装薬計画が、穿孔計画を考慮して各穿孔岩塊（round）の穿孔のために作成される。穿孔計画において、穿孔される複数の孔の位置が、予め定められた座標系において決定される。穿孔される孔の位置は、前述の座標系において、孔の始点、方向、及び長さとして決定されるか、又は単に始点及び終点として決定され、前記始点及び終点に基づいて、座標系において、長さ及び方向がそれぞれ決定されてよい。次に、装薬計画は、孔に対して具体的に、使用される爆薬、装薬の大きさ、及び装薬を発破させるための時期などを決定する。

穿孔計画は、通常、設計コンピュータ２１を備える事務所９のような穿孔現場外の建屋で設計され、穿孔計画１２は、例えば、作成及び検査される時には、設計コンピュータの表示装置２２上に図示される。穿孔計画は、設計コンピュータ２１から記憶スティック又は記憶ディスクのような記憶手段にダウンロードされて記憶されるか、又は穿孔計画は、直接的にデータ送信接続線１０上を岩盤穿孔装置の制御機器８へ送られて、ハードディスク又は記憶ディスクのような制御機器内に典型的に存在する記憶手段に記憶されてよい。必要ならば、穿孔計画１２の設計及び変更は、例えば、岩盤穿孔装置１の運転室１１内の制御機器８によって行われてもよい。さらに、現行の穿孔計画が、穿孔現場又はその外部のいずれかにおいて変更されてよい。穿孔計画の設計は、コンピュータ支援され、通常は実際には繰り返される。設計プログラムは、設計コンピュータ２１又は制御機器８のコンピュータなどで動作し、設計者２３は、設計プログラムを繰り返し作動させ、必要なデータを入力し、設計進行を制御すると共に選択する。計画の既に設計された部分は、さらに良好な結果を達成するために、設計進行中に繰り返し変更されてよい。

穿孔計画が完成されると、この穿孔計画は、岩盤穿孔装置の制御機器８へダウンロードされて実施されてよい。計画された複数のドリル孔が、岩盤２４に穿孔され、装薬されて次に発破される。所望の穿孔岩塊に等しい岩盤量が、岩盤２４から取り除かれ、これは移送により除去される。その後、新たな複数の孔が、同じ又は新たな穿孔計画１２に従って、次の穿孔岩塊のために穿孔される。

図２は、複数のドリル孔を有する穿孔計画１２の例を図示している。この穿孔計画１２において、ドリル孔１３の始点１３ａは、円形のような適切な記号として表され、ドリル孔の方向は、始点から出発する投影線１３ｂとして表される。図２に図示されたように、穿孔計画１２のｘｚ投影は、グラフィックユーザーインターフェイス、すなわち、設計コンピュータ２１の表示装置２２に、又はそうでなければ、岩盤穿孔装置１の制御機器８のグラフィックユーザーインターフェイスに同様に表示されてよい。

図３は、トンネル２５内で穿孔される穿孔岩塊（round）２６に関して、上から見た穿孔計画１２の原理を図示している。進路決定において、穿孔装置及び穿孔計画の座標系は、互いに及びトンネルの座標系に関連づけられる。進路決定後に、穿孔岩塊の穿孔は、計画に従って実施されるだろう。

図面は、孔１３が、掘削の観点から適当な間隔及び異なる方向においてトンネルの横断方向に、穿孔されるべき岩盤に関してどのように配置されるかを示している。一般的に、穿孔計画のために使用される基準は、いわゆる進路決定平面２７であり、これは、実際の岩盤表面２８からのある距離におけるトンネルの横断方向の仮想平面である。穿孔計画において、穿孔される孔の理論上の始点２９は、進路決定平面上に位置する座標系において決定され、岩盤穿孔装置の前記ブームの方向付けは、穿孔が開始されるときにドリルロッドがこの理論上の始点を通過するように実施される。

穿孔岩塊２６の公称長さは、進路決定平面２７と理論上の終端平面３０との間の距離Ｌである。現実的に、図面において明らかなように、幾つかの孔は終端平面を超えて延在し、典型的に端部における幾つかの孔は、端部において、穿孔岩塊の公称長さより短いままである。

図４ａ及び４ｂは、上から見た通常の発破後の穿孔岩塊の実際の状態を概略的に図示している。図４ａにおいて、実線３３は、発破された穿孔岩塊において発破後に岩盤内に残存するドリル孔の端部を描いており、前記ドリル穴の端部の周囲では、発破において岩盤が引き離されていない。さらに、破線３４は、次の穿孔岩塊のために穿孔される孔を描いている。残存する岩盤表面、すなわち、開始表面２８と、穿孔岩塊の孔終点を通る理論上の終端表面３６との間の領域は、理論的には、発破において引き離されるべきであった岩盤である。この岩盤は図４ｂにおいて領域３７によって例示されている。実際問題として、このような岩盤はいつも残存し、その量が発破において引き離されることが意図された計画岩盤量から減算されると、前述した引き離し量、すなわち、意図された量の割合としての引き離し岩盤量が得られるであろう。残存岩盤は、特に、岩盤の種類及び構造と、どの程度良好に穿孔が成功したかなどとに依存して、トンネルの横断表面の様々な部分において大きく厚さを変化させるかもしれない。

次に図５ａから図５ｄは、同じトンネル掘削において実際に実現された二つの穿孔岩塊の間の相互関係と、計画された穿孔岩塊と実現された穿孔岩塊との間の、発破に関して引き離されなかった残存岩盤とを斜視図において概略的に図示している。前述の引き離されなかった岩盤の形状は、例えば、残存岩盤の表面上の次の穿孔岩塊において穿孔されるべき孔の始点の位置と、直前の穿孔岩塊の孔の終点の位置とを決定することによって、及びこれらの点に基づいて穿孔岩塊において引き離されなかった岩盤の体積を使用者に示す立体を形成することによって得られる。

図５ａは、岩盤の開始表面２８ａ上のドリル孔の始点と、孔の終点の位置によって確定されてそれらを通過する終端表面３６ａとに基づいて、トンネルの座標系における穿孔岩塊２６ａの形状を図示している。次に、図５ｂは、直前の穿孔岩塊２６ａから残存する岩盤の開始表面２８ｂ上の新たなドリル孔の始点と、孔の終点の位置によって確定されてそれらを通過する終端表面３６ｂとに基づいて、同じ座標系における対応する次の穿孔岩塊２６ｂの形状を図示している。

図５ｃにおいて、穿孔岩塊２６ａ及び２６ｂは、それらの実際の相互位置に位置させられ、その結果として、後の穿孔岩塊２６ｂの開始表面２８ｂが、直前の穿孔岩塊２６ａの理論上の終端表面３６ａより、直前の穿孔岩塊２６ａの開始表面２８ａへより近いことが明らかである。ゆえに、表面２８ｂと３６ａとの間において、理論的に、発破において引き離されるべき残存岩盤３７が存在する。この岩盤３７は図５ｄにおいて例示される。これは、全ての所望の岩盤が引き離されなかったので、獲得された穿孔岩塊長さの減損を意味する。さらに、これは、追加費用と共にトンネル工事作業における遅い進行を意味する。これらの特徴は、本発明によって実質的に改善される。

本発明の考え方は、実行された穿孔岩塊の発破結果に基づいて、後に続く一つ以上の穿孔岩塊を穿孔するために使用される穿孔計画が変更及び最適化されるように、後に続く穿孔岩塊のための穿孔計画を修正することである。

現在のやり方では、ドリル孔は、孔の実際の始点がある位置に関わらず、設計された計画に従って穿孔される。それにより、余分な岩盤の結果として、孔の実際の始点は、穿孔計画の設計及び実施にどんな影響も与えることなく理論上の始点からずれる。本発明によると、穿孔計画は、必要に応じて、実現された結果に基づいて修正される。それにより、例えば、ドリル孔の長さ及び／又はドリル孔の終点位置は、発破結果が望まれたものに良好に一致するように、既に次の穿孔岩塊に関して変更されるかもしれない。

新たな穿孔岩塊のための穿孔開始時に決定される岩盤の表面形状と、発破された穿孔岩塊の岩盤のドリル孔の終点の位置とが、穿孔計画の変更のための基礎を構成する。岩盤の表面形状、即ちその輪郭は、レーザー又は超音波測定装置のような測定装置で正確に測定されることにより得られる。代りに、この輪郭は、岩盤の表面の次の穿孔岩塊のためのドリル孔の始点を決定することによって、十分な精度で近似的に決定され得る。この決定は、それ自体公知の独立した測定装置によって始点を測定することによって、又は岩盤穿孔装置の制御機器によって位置データを定めることによって実施され得る。孔の始点の位置データは、穿孔前、穿孔中、又は穿孔後のいずれかにおいて測定されてよい。同様に、ドリル孔の終点の位置データは、独立した測定装置でそれらを測定するか、又は岩盤穿孔装置の制御機器によってそれらを定めることのいずれかによって提供される。所望の精度に応じて、全ての孔の始点及び終点の位置データ又は適切に選択された少数の孔の位置データを定めることができる。

このように決定された岩盤の表面形状と決定された孔の終点の位置データとによって、直前の穿孔岩塊の引き離し量を算出することができ、必要ならば、前述したように、次の穿孔岩塊又は任意の後に続く穿孔岩塊のための穿孔計画を修正することができる。

岩盤穿孔装置の制御機器が使用されるときに、決定が実行される。実際には、前記決定は、穿孔者のような作業者が、穿孔を開始するときに、穿孔されるべき孔に関して修正された穿孔位置へ岩盤穿孔装置の穿孔ブームを移動させ、それにより装置センサが穿孔方向において孔の始点を測定することができるように実行される。この情報は、穿孔装置の制御機器に記憶され、この情報と、対応する以前のドリル孔の実際の位置データとに基づいてこれらの点の間の差が算出される。この手順が穿孔計画の全ての孔又は選択された孔のために実施されるときに、どのくらいの岩盤量かを算出すること、及び穿孔計画に比較して引き離されずに残存するトンネルの横断表面の各特定点の岩盤量を算出することもできる。

この原理は、穿孔装置のコンピュータによって、又は現場ではなく穿孔計画の設計者の使用のための岩盤穿孔装置外のコンピュータへデータを送信することによって、必要な変更が、次の穿孔岩塊のための穿孔計画において決定されることを可能とし、それにより、次の穿孔岩塊において、岩盤物質は、計画に従って良好に、破壊されて岩盤から引き離されることができる。この穿孔計画は、前述の差分データに基づいて決定され、それは岩盤穿孔装置の制御コンピュータに直ちに使用可能であり、又はそれは使用のために岩盤穿孔装置の制御コンピュータへ伝達される。

穿孔計画の変更は、直前の穿孔岩塊の発破に続く穿孔岩塊の穿孔に関して直ちに実施されてよく、なお、実際問題として、次の穿孔岩塊に続く穿孔岩塊の穿孔計画を修正するために使用されるときにも役立つ。実際には、穿孔装置から独立した測定はレーザースキャナーによって実施されることができ、前記レーザースキャナーは、表面全体を通して表面輪郭を記憶し、穿孔されるべき孔の始点には決して集中しない。このようなレーザースキャンは、数分だけの稼働であり、従ってそれが作業をどんな形でも決して遅らせることはない。

幾つかの場合において、本出願に開示された特徴は他の特徴に関係なくこのように使用されて良い。他方で、必要時には、本出願に開示された特徴は、異なる組み合わせを提供するために組み合わされて良い。

図面及び関連する記載は、本発明の考え方を例示することだけを意図している。本発明の詳細は、請求の範囲内で変化するかもしれない。

Claims (20)

1. 岩盤空洞を掘削するための穿孔計画を設計するための方法であって、
   前記穿孔計画は、予め定められた座標系における複数のドリル孔の少なくとも位置を、トンネル工事面において穿孔される穿孔岩塊のために前もって定めるものであり、該方法は、コンピュータ支援設計プログラムによって前記穿孔計画を作成するものであり、該方法は、
   穿孔に関して、前記複数の孔の少なくとも幾つかの孔の終点の位置を決定し、
   決定された前記孔の終点の位置を記憶装置に記憶し、
   決定された前記孔の終点の位置と、穿孔岩塊の発破後に残存する岩盤の形状とに基づいて穿孔岩塊の引き離し量を決定し、
   こうして決定された前記引き離し量に基づいて、次の穿孔岩塊の穿孔計画を設計又は変更することを特徴とする方法。
2. 前記岩盤の形状は、残存する岩盤の輪郭を測定装置によって測定することによって決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記岩盤の形状は、次の穿孔岩塊のための前記岩盤の表面上の前記複数のドリル孔の少なくとも幾つかの孔の始点を測定し、前記測定された始点に基づいて輪郭の近似値を算出することによって決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 穿孔されるべき前記孔の前記始点の位置は、岩盤穿孔装置の制御システムにより測定されることによって決定されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 穿孔されるべき前記孔の前記始点の位置は、独立した測定装置により測定されることによって決定されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 穿孔されるべき前記孔の終点の位置は、岩盤穿孔装置の制御システムにより測定されることによって決定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 穿孔されるべき前記孔の終点の位置は、前記孔の穿孔後に独立した測定装置により前記終点の位置を測定することによって決定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記穿孔岩塊のための前記穿孔計画は、岩盤穿孔装置の制御機器に含まれるコンピュータによって設計されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ドリル孔の終点の測定された位置データを、岩盤穿孔装置から、前記岩盤穿孔装置から独立した外部コンピュータへ送り、
   前記岩盤穿孔装置から独立した前記外部コンピュータによって、実現された引き離し量を算出して、次の穿孔岩塊のための前記穿孔計画を設計又は変更し、
   得られた前記穿孔計画を前記岩盤穿孔装置の制御コンピュータへ送ることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記穿孔計画は、予め定められた穿孔計画を前記引き離し量に基づいて変更することによって設計されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記引き離し量に基づいて、前記穿孔計画は、前回に発破された穿孔岩塊に続く穿孔岩塊のために設計されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記引き離し量に基づいて、前記穿孔計画は、前回に発破された穿孔岩塊の次の穿孔岩塊に続く任意の穿孔岩塊のために設計されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記予め定められた座標系における前記ドリル孔の位置は、孔始点、孔方向角度、及びドリル孔長さとして定められることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記予め定められた座標系における前記ドリル孔の位置は、穿孔される前記孔の始点及び終点として定められることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記予め定められた座標系における前記ドリル孔の始点の位置及び対応する前記ドリル孔の終点の位置は、穿孔される全ての孔のために決定されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 岩盤穿孔装置により岩盤空洞を掘削するための穿孔計画を設計するための設備であって、前記岩盤穿孔装置は、穿孔ブームに取り付けられた岩盤穿孔機器を有する一つ以上の穿孔ブームと、穿孔を制御するための制御機器とを具備し、該設備は、前記穿孔計画を設計又は変更するためのコンピュータを具備することにより、前記穿孔計画において、予め定められた座標系における複数のドリル孔の少なくとも位置が、穿孔される穿孔岩塊のために前もって定められ、該設備は、
    前記複数の孔の少なくとも幾つかの孔の終点の位置を突き止めるための手段と、
    決定された前記孔の終点の位置を記憶装置に記憶するための手段と、
    穿孔岩塊の発破後に残存する岩盤の形状を決定するための手段と、を具備し、
    発破された穿孔岩塊の引き離し量を、決定された前記ドリル孔の終点の位置と、穿孔岩塊の発破後に残存する岩盤の形状とに基づいて定めることができ、前記穿孔計画は、こうして定められた前記引き離し量に基づいて設計又は変更され得ることを特徴とする設備。
17. 穿孔岩塊の発破後に残存する岩盤の形状を決定するための前記手段は、残存する岩盤の輪郭を測定するための測定装置を有することを特徴とする請求項１６に記載の設備。
18. 穿孔岩塊の発破後に残存する岩盤の形状を決定するための前記手段は、岩盤の表面の次の穿孔岩塊のための前記複数のドリル孔の少なくとも一部の孔の始点を測定して、測定された前記始点に基づいて岩盤の表面の輪郭の近似値を算出するための測定装置を具備することを特徴とする請求項１６に記載の設備。
19. 穿孔されるべき前記孔の前記始点を測定するための手段は、前記岩盤穿孔装置の制御システムの一部であることを特徴とする請求項１８に記載の設備。
20. 穿孔されるべき前記孔の前記始点を測定するための手段は、独立した測定装置を有することを特徴とする請求項１８に記載の設備。

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