JP6872466B2 - ロックボルト施工装置及びロックボルト施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロックボルト施工装置及びロックボルト施工方法に関する。

トンネルの施工にあたっては、地山を支保するための支保構造が施工される。この支保構造は、地山に設けられた孔と、当該孔に充填された充填材と、当該充填材に埋め込まれるロックボルトと、により構成される。従って、支保構造は、孔を削孔する工程と、孔に充填材を充填する工程と、充填材にロックボルトを埋め込む工程と、を有する。

特開２００６−７０５２９号公報

トンネル施工の分野においては、施工時間の短縮化が望まれている。この施工時間においては、上述した支保構造を施工するための時間が比較的大きく、さらなる施工時間の短縮化が望まれている。施工時間の短縮にあっては、施工機器の能力向上や、人手による作業を機械化するといった方策が検討されている。例えば、特許文献１は、充填材にロックボルトを埋め込む工程に用いられるロックボルト挿入装置を開示する。このロックボルト装置は、作業者によって行われていたロックボルトを埋め込む作業を機械化することができる。

そこで、本発明は、支保構造の施工時間を短縮することが可能なロックボルト施工装置及びロックボルト施工方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態は、地山に設けられた孔と、孔に充填された充填材と、充填材に埋め込まれるロックボルトと、により構成される支保構造を施工するために、移動式台車に搭載されるロックボルト施工装置であって、孔を削孔する削孔ロッドと、第１軸線を有し削孔ロッドを駆動する第１ドリフタと、第１ドリフタを第１軸線に沿う方向へ往復移動可能に支持する第１ガイドセルと、第１ガイドセルを移動式台車に連結すると共に、地山に対する第１ガイドセルの姿勢を制御する第１ブームと、を有する第１アームユニットと、削孔ロッドが削孔した孔に挿し込まれて、孔に充填材を充填する充填ロッドと、第２軸線を有し充填ロッドの基端を保持する第２ドリフタと、第２ドリフタを第２軸線に沿う方向へ往復移動可能に支持する第２ガイドセルと、第２ガイドセルを移動式台車に連結すると共に、地山に対する第２ガイドセルの姿勢を制御する第２ブームと、を有する第２アームユニットと、を備える。

この装置によれば、第１アームユニットによって地山に孔を削孔した後に、第２アームユニットによって当該孔に充填材を充填する。従って、充填作業を第２アームユニットによって機械化することが可能になる。この充填中において、第１アームユニットは、地山に別の孔を削孔する。従って、削孔作業と、充填作業とを並行して行うことができる。つまり、この装置は、削孔作業と充填作業のそれぞれを機械化できると共に、削孔作業と充填作業とを並行して行うことが可能である。従って、支保構造の施工時間を短縮することができる。

上記の形態において、第１ガイドセルは、第１軸線に沿う方向へ延びる第１ガイドと、第１軸線に沿う方向に往復移動可能に第１ガイドに取り付けられると共に、第１ドリフタが搭載される第１キャリッジと、を含み、第１アームユニットは、第１キャリッジに設けられると共に、ロックボルトの基端を着脱可能に保持するボルト保持部と、第１ガイドに配置されると共に、ボルト保持部に保持されたロックボルトを支持するボルト支持部と、第１ガイドの先端に設けられると共に、ロックボルトの基端が着脱可能に嵌め込まれるボルト押圧部と、をさらに有してもよい。この構成によれば、ロックボルトを充填材に埋め込む作業を機械化することが可能になる。従って、支保構造を施工するための作業時間をさらに短縮することができる。

上記の形態において、第２ガイドセルは、第２軸線に沿う方向に延びる第２ガイドと、第２軸線に沿う方向に往復移動可能に第２ガイドに取り付けられると共に、第２ドリフタが搭載される第２キャリッジと、を含み、充填ロッドは、第２ドリフタに連結される基端から孔に挿し込まれる先端まで連通する供給孔と、基端側に設けられ供給孔に連通する導入孔と、を含んでもよい。この構成によれば、充填アダプタが取り付けられた充填スリーブの回転が規制される。従って、充填アダプタに連結されたホースを所定の位置に保つことが可能になるので、充填作業の安全性を高めることができる。

本発明の別の形態は、地山に設けられた孔と、孔に充填された充填材と、充填材に埋め込まれるロックボルトと、により構成される支保構造を施工するロックボルト施工方法であって、孔を削孔する削孔ロッドと、第１軸線を有し削孔ロッドを駆動する第１ドリフタと、第１ドリフタを第１軸線に沿う方向へ往復移動可能に支持する第１ガイドセルと、地山に対する第１ガイドセルの姿勢を制御する第１ブームと、を有する第１アームユニットを用いて、第１の孔を地山に形成する第１工程と、削孔ロッドが削孔した第１の孔に挿し込まれて、第１の孔に充填材を充填する充填ロッドと、第２軸線を有し充填ロッドの基端を保持する第２ドリフタと、第２ドリフタを第２軸線に沿う方向へ往復移動可能に支持する第２ガイドセルと、地山に対する第２ガイドセルの姿勢を制御する第２ブームと、を有する第２アームユニットを用いて、第１の孔に充填材を充填する第２工程と、第１アームユニットを用いて、第１の孔とは別の第２の孔を地山に形成する第３工程と、を有し、第２工程を実施する期間と、第３工程を実施する期間とは、互いに重複する部分を含む。

この方法では、第１アームユニットによって地山に孔を削孔する第１工程の後に、第２アームユニットによって当該孔に充填材を充填する第２工程を行う。従って、充填作業を第２アームユニットによって機械化することが可能になる。この第２工程を実施している間において、第１アームユニットは、地山に別の孔を削孔する第３工程を行う。従って、第３工程である削孔作業と、第２工程である充填作業とを並行して行うことができる。つまり、この方法は、削孔作業と充填作業のそれぞれを機械化できると共に、削孔作業と充填作業とを並行して行うことが可能である。従って、支保構造の施工時間を短縮することができる。

上記の別の形態において、第１アームユニットは、ロックボルトの基端を着脱可能に保持するボルト保持部と、第１ガイドに配置されると共に、ボルト保持部に保持されたロックボルトを支持するボルト支持部と、第１ガイドの先端に設けられると共に、ロックボルトの基端が着脱可能に嵌め込まれるボルト押圧部と、をさらに有し、第１アームユニットを用いて、充填材が充填された第１の孔にロックボルトを挿入する第４工程と、第２アームユニットを用いて、第２の孔に充填材を充填する第５工程と、をさらに有し、第４工程を実施する期間と、第５工程を実施する期間とは、互いに重複する部分を含んでもよい。この方法によれば、第１の孔へ充填された充填材へロックボルトを挿入する第４工程と、第２の孔へ充填材を充填する第５工程とを並行して行う。従って、支保構造の施工時間をさらに短縮することができる。

本発明によれば、支保構造の施工時間を短縮することが可能なロックボルト施工装置及びロックボルト施工方法が提供される。

図１は、ロックボルト施工装置を用いて支保構造を施工する様子を示す斜視図である。 図２は、図１に示されたロックボルト施工装置が備える削孔アームユニットの削孔装置を示す斜視図である。 図３は、ボルト保持部を拡大して示す斜視図である。 図４は、ガイドの先端を拡大して示す斜視図である。 図５は、図１に示されたロックボルト施工装置が備える充填アームユニットの充填装置を示す斜視図である。 図６は、充填ジョイントを拡大して示す断面斜視図である。 図７は、充填アタッチメントを拡大して示す斜視図である。 図８は、ひとつの支保構造に着目した場合の主要な工程を示すフロー図である。 図９は、本実施形態に係るロックボルト施工装置を用いて複数の支保構造を施工する工程を示すタイムチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、ロックボルト施工装置を用いて支保構造を施工する様子を示す斜視図である。図１に示されるように、ロックボルト施工装置１は、トンネル掘削現場等で実施される支保構造２００の施工作業に用いられる。坑道１００は、略水平方向に延在し、略平坦な地面１０１と、湾曲した壁面１０２と、により形成される。ロックボルト施工装置１は、当該壁面１０２に支保構造２００を設ける。

支保構造２００は、掘削によって生じ得る地山１１０の変形を抑制する。支保構造２００は、孔２０１と、モルタル２０２（充填材）と、ロックボルト２０３と、定着板２０４と、定着ナット２０６と、により構成される。このような支保構造２００を利用するトンネルの施工法として、いわゆる新オーストリアトンネル工法（Ｎｅｗ Ａｕｓｔｒｉａｎ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ：ＮＡＴＭ）がある。ＮＡＴＭによるトンネル施工では、まず、地山１１０を掘削する。次に、コンクリート壁（不図示）を設ける。次に、コンクリート壁から地山１１０に延在する孔２０１を設ける（削孔作業）。そして、当該孔２０１にモルタル２０２を充填した（充填作業）後に、ロックボルト２０３を埋め込む（挿入作業）。ロックボルト施工装置１は、これら、削孔作業と、充填作業と、挿入作業と、を行う。なお、トンネルの坑道１００の一断面にはロックボルト２０３等により構成される支保構造２００が複数（例えば、６〜１０箇所）設けられている。

ロックボルト施工装置１は、移動式台車２に搭載される。移動式台車２は、タイヤ又はクローラといった移動機構を有し、坑道１００内を自由に走行することができる。従って、他のトンネル作業に用いられる作業車両との入れ替えを迅速に行うことができる。移動式台車２は、アウトリガ２ａを有し、作業中における車体の安定性を確保する。さらに、移動式台車２は、走行及びロックボルト施工装置１を操縦するための作業台２ｂを有する。また、移動式台車２は、一対のバスケットユニット３Ａ，３Ｂを有する。これらのロックボルト施工装置１、移動式台車２、及びバスケットユニット３Ａ，３Ｂは、トンネル施工装置４を構成する。

ロックボルト施工装置１は、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂ（第１アームユニット）と充填アームユニット４０（第２アームユニット）とを有する。削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂ及び充填アームユニット４０は、移動式台車２の前部に取り付けられる。削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂは、削孔作業と、挿入作業とを行うためのものである。充填アームユニット４０は、充填作業を行うためのものである。削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂと充填アームユニット４０は、移動式台車２の幅方向に沿って配置される。充填アームユニット４０は、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂの間に配置される。なお、移動式台車２に対する削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂ及び充填アームユニット４０の取付構成は、図１に示す例に限定されない。

削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂは、ブーム１１（第１ブーム）と、削孔装置１２と、を有する。ブーム１１は、削孔装置１２を所望の姿勢に保ちつつ、削孔装置１２を壁面１０２における任意の位置に移動させる。例えば、ブーム１１は、壁面１０２に対して略垂直となるように削孔装置１２の姿勢と位置とを制御する。具体的には、ブーム１１は、削孔装置１２の先端を所定の位置に移動させる。そして、ブーム１１は、先端位置を維持した状態において、削孔装置１２の姿勢を変化させる。ここいでいう削孔装置１２の姿勢とは、所定の座標系を基準とした後述するガイドセル１３の延在方向をいう。削孔装置１２は、壁面１０２から地山１１０の内部に向けて孔２０１を削孔する機能と、ロックボルト２０３を挿入する機能と、を有する。孔２０１の延在方向は、ブーム１１によって制御される削孔装置１２の向きにより規定される。また、削孔装置１２がロックボルト２０３を挿入する際には、ロックボルトの延在方向が孔２０１の延在方向と一致するように、削孔装置１２がブーム１１によって制御される。削孔装置１２の詳細については後述する。

充填アームユニット４０は、ブーム４１（第２ブーム）と、充填装置４２と、を有する。ブーム４１は、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂのブーム１１と同様の構成を有する。具体的には、ブーム１１は、充填装置４２の先端を所定の位置に移動させる。そして、ブーム１１は、先端位置を維持した状態において、充填装置４２の姿勢を変化させる。ここいでいう充填装置４２の姿勢とは、所定の座標系を基準とした後述するガイドセル４３の延在方向をいう。充填装置４２は、削孔装置１２によって形成された孔２０１にモルタル２０２を充填する機能を有する。充填装置４２が孔２０１にモルタル２０２を充填するとき、充填装置４２の姿勢（ガイドセル４３の延在方向）が孔２０１の延在方向と一致するように、充填装置４２がブーム１１によって制御させる。充填装置４２の詳細については、後述する。

＜削孔装置＞
図２は、図１に示されたロックボルト施工装置１が備える削孔アームユニット１０Ａの削孔装置１２を示す斜視図である。削孔装置１２は、基本的な構成要素として、ガイドセル１３（第１ガイドセル）と、ドリフタ１４（第１ドリフタ）と、メインブシュ１６と、サブブシュ１７を有する。また、削孔装置１２は、孔２０１を削孔するためのドリルロッド１８（削孔ロッド）を有する。

ガイドセル１３は、削孔装置１２の基体をなし、出力軸線Ａ１の方向に沿って延在する。ガイドセル１３は、ガイド１９（第１ガイド）と、ガイド１９に沿って摺動可能なキャリッジ２１（第１キャリッジ）と、を有する。キャリッジ２１は、所定の駆動機構によって、ガイド１９の基端から先端まで往復移動が可能である。なお、本実施形態でいう「基端」とは、ドリフタ１４側の端部をいい、「先端」とはその逆側の端部をいう。

ドリフタ１４は、キャリッジ２１にボルト等により固定される。つまり、ドリフタ１４は、キャリッジ２１の移動に伴って、出力軸線Ａ１（第１軸線）の方向に沿って往復移動する。ドリフタ１４は、ドリルロッド１８の基端が連結されて、ドリルロッド１８に対して回転力と打撃力とを付与する。この回転は、出力軸線Ａ１を中心軸とする。また、打撃は、出力軸線Ａ１の方向に沿う動作である。ドリフタ１４は、油圧式回転機構としてのオービットモータと、油圧式打撃機構としての打撃ピストンと、を有する。オービットモータは、回転速度及び回転方向が自在であり、高いトルクを発生させることができる。

メインブシュ１６及びサブブシュ１７は、ドリフタ１４に連結されたドリルロッド１８を支持する。これらのメインブシュ１６及びサブブシュ１７によれば、ドリフタ１４の出力軸線Ａ１の延長線上に、ドリルロッド１８の中心軸線が配置される。つまり、メインブシュ１６及びサブブシュ１７は、セントラライザである。メインブシュ１６は、ガイド１９の先端に固定される。サブブシュ１７は、メインブシュ１６とキャリッジ２１との間に配置される。サブブシュ１７は、キャリッジ２１と同様に、ガイド１９に対して摺動可能に取り付けられる。つまり、サブブシュ１７は、出力軸線Ａ１の方向に往復移動することができる。これらメインブシュ１６及びサブブシュ１７によれば、ドリフタ１４の回転力と打撃力とを効率よくドリルロッド１８に伝えることができる。

ドリルロッド１８は、長尺の棒状部材であり、その先端にはビット１８ａが取り付けられている。

削孔装置１２は、さらに、ロックボルト２０３を挿入するための構成として、ボルト保持部２２と、ボルト支持部２３と、フートパッド２４（ボルト押圧部）と、を有する。

ボルト保持部２２は、ロックボルト２０３の基端を着脱可能に保持する。そして、ガイド１９の基端から先端へ向かうキャリッジ２１の移動に起因して、ロックボルト２０３をモルタル２０２に押し込む。

ボルト保持部２２は、ベース２５と、ホルダ２６とを有する。ベース２５は、出力軸線Ａ１の方向から見てコ字状に形成され、ドリフタ１４の基端側を挟むようにキャリッジ２１に取り付けられる。

図３は、ボルト保持部２２を拡大して示す斜視図である。図３に示されるように、ホルダ２６は、ベース２５の天板部２５ａに取り付けられる。ホルダ２６は、天板部２５ａに固定されたブラケット２７と、ロックボルト２０３の基端が挿し込まれるスリーブ２８を有し、スリーブ２８の基端は、ブラケット２７に固定されたスペーサ２９を介してホルダ２６に取り付けられる。

スリーブ２８は、出力軸線Ａ１に平行な軸線に沿って延びている。また、スリーブ２８は、出力軸線Ａ１に対して平行にずれている。つまり、スリーブ２８は、ドリフタ１４の上方に配置される。スリーブ２８は、両端が開口した円筒状を呈する。基端側の開口には、スペーサ２９が嵌め込まれる。先端側の開口には、ロックボルト２０３の基端が挿し込まれる。スリーブ２８に挿し込まれるロックボルト２０３には、定着板２０４と定着ナット２０６とが取り付けられている。スリーブ２８の内径は、定着ナット２０６の外径よりも僅かに大きい。ロックボルト２０３は、単にスリーブ２８に挿し込まれているだけであるので、容易に装着することができると共に容易に取り外すことができる。

図２に示されるように、ボルト支持部２３は、メインブシュ１６及びサブブシュ１７と同様の機能を奏する。つまり、ボルト支持部２３によれば、ボルト保持部２２に保持されたロックボルト２０３の軸線Ａ２が、ドリフタ１４の出力軸線Ａ１と平行となる。ボルト支持部２３は、メインブシュ１６に設けられたメインリテーナ３１と、サブブシュ１７に設けられたサブリテーナ３２と、を有する。メインリテーナ３１は、ブシュ貫通穴１６ａの直上に配置されたＵ字状の支持部３１ａを有する。サブリテーナ３２は、ブシュ貫通穴１７ａの直上に配置されたＵ字状の支持部３２ａを有する。

図４は、ガイド１９の先端を拡大して示す斜視図である。図４に示されるように、フートパッド２４は、ロックボルト２０３の基端２０３ａを押圧し、ロックボルト２０３をモルタル２０２にさらに押し込む。フートパッド２４は、ガイド１９の先端に固定される。フートパッド２４は、すり鉢状の受入部２４ａを有し、この受入部２４ａの底面がロックボルト２０３の基端２０３ａに押し当てられる。

＜充填装置＞
図５は、充填装置４２の主要部を示す斜視図である。充填装置４２は、基本的な構成要素として、ガイド４３ａ（第２ガイド）及びキャリッジ４３ｂ（第２キャリッジ）を含むガイドセル４３（第２ガイドセル）と、ドリフタ４４（第２ドリフタ）と、メインブシュ４６と、サブブシュ４７と、を有する。これらの要素は、削孔装置１２におけるガイドセル１３と、ドリフタ１４と、メインブシュ１６と、サブブシュ１７と、同様の構成を有する。

充填装置４２は、充填ロッド４８と、充填アタッチメント４９と、を有する。充填ロッド４８は、充填アタッチメント４９を介してドリフタ４４に連結される。また、充填ロッド４８は、充填アタッチメント４９を介して外部からモルタル２０２を受け入れる。そして、充填ロッド４８は、受け入れたモルタル２０２をその先端から排出する。

充填ロッド４８は、中空ロッド５１と、充填ジョイント５２と、を有する。中空ロッド５１は、充填ロッド４８の基体をなす。中空ロッド５１は、全長が例えば約６メートルのパイプ状を呈する。中空ロッド５１は、基端から先端に貫通する供給孔５１ａ（図６及び図７参照）を有する。基端から供給されたモルタル２０２は、供給孔５１ａを介して先端へ送られる。中空ロッド５１の先端には、充填ジョイント５２が嵌め込まれる。充填ジョイント５２は、充填ロッド４８を孔２０１へ容易に挿し込むと共に、モルタル２０２を孔２０１へ排出しながら、充填ロッド４８を引き抜くことで、孔２０１にモルタルを充填する。

図６は、充填ジョイント５２を拡大して示す断面斜視図である。図６に示されるように、充填ジョイント５２は、本体部５３と、円錐面部５４と、排出孔５６と、を有する。本体部５３は、その基端側が中空ロッド５１の先端側における供給孔５１ａに挿し込まれる。この挿し込みにより、充填ジョイント５２は、中空ロッド５１に取り付けられる。本体部５３には、出力軸線Ａ３（第２軸線）の方向に延びる孔５３ａが設けられる。孔５３ａは、供給孔５１ａに連通する。この孔５３ａは、本体部５３の基端面５３ｂに開口する。一方、孔５３ａの先端側は、円錐面部５４により閉鎖される。そして、孔５３ａは、排出孔５６に連通する。

排出孔５６は、一端が孔５３ａに連通すると共に、その他端は外周面５２ａに開口する。排出孔５６は、出力軸線Ａ３の周りに等間隔に複数設けられる。さらに、排出孔５６は、その軸線Ａ４が出力軸線Ａ３に対して傾いている。より詳細には、排出孔５６の軸線Ａ４と出力軸線Ａ３とのなす角度Ｋ１は、９０度以下である。円錐面部５４は、充填ジョイント５２の先端側に形成される。コーン状を呈する円錐面部５４は、地山１１０に設けられた孔２０１の内周面が荒れている場合であっても、中空ロッド５１を容易に孔２０１の奥へ導く。

図７は、充填アタッチメント４９を拡大して示す斜視図である。図７に示されるように、充填アタッチメント４９は、充填スリーブ５７と、充填アダプタ５８と、充填ブラケット５９と、を有する。充填スリーブ５７は、中空ロッド５１をドリフタ１４に連結する。充填アダプタ５８は、充填スリーブ５７に取り付けられて充填スリーブ５７にモルタル２０２を供給する。充填ブラケット５９は、充填スリーブ５７及び充填アダプタ５８の動きを規制する。

＜充填スリーブ＞
充填スリーブ５７は、円柱状を呈し、軸連結孔５７ａと、ロッド連結孔５７ｂと、アダプタ連結孔５７ｃと、を有する。軸連結孔５７ａは、出力軸線Ａ３に沿って延びる。軸連結孔５７ａは、その一端が充填スリーブ５７の基端面５７ｄに開口し、他端には区画壁５７ｅによって閉鎖される。つまり、軸連結孔５７ａは、ロッド連結孔５７ｂ及びアダプタ連結孔５７ｃとは連通しない。そして、軸連結孔５７ａは、ドリフタ１４の出力軸１４ａを受け入れる。例えば、ドリフタ１４の出力軸１４ａに雄ネジが設けられている場合には、軸連結孔５７ａには、雌ネジが設けられてもよい。

ロッド連結孔５７ｂは、出力軸線Ａ３に沿って延びる。ロッド連結孔５７ｂは、その一端が充填スリーブ５７の先端面５７ｆに開口し、他端が区画壁５７ｅによって閉鎖される。ロッド連結孔５７ｂは、中空ロッド５１の基端を受け入れる。

アダプタ連結孔５７ｃは、出力軸線Ａ３に対して直交する方向に延びる。アダプタ連結孔５７ｃは、その一端が充填スリーブ５７の外周面５７ｇに開口し、他端がロッド連結孔５７ｂの内周面５７ｈに開口する。つまり、アダプタ連結孔５７ｃは、ロッド連結孔５７ｂに連通する。このアダプタ連結孔５７ｃは、充填アダプタ５８の基端を受け入れる。

＜充填アダプタ＞
充填アダプタ５８は、円筒状を呈し、一端から他端まで貫通する貫通孔５８ａ（導入孔）を有する。充填アダプタ５８は、一端がアダプタ連結孔５７ｃに挿し込まれ、他端には未硬化のモルタル２０２を搬送するホース（不図示）が連結される。アダプタ連結孔５７ｃの軸線Ａ５が出力軸線Ａ３に対して直交するので、充填アダプタ５８の軸線も出力軸線Ａ３に対して直交する。つまり、充填アダプタ５８は、出力軸線Ａ３に対して直交する方向に延びる。

＜充填ブラケット＞
充填ブラケット５９は、ベース部６１と、ブラケット部６２と、を有する。ベース部６１は、キャリッジ２１にボルト等により固定され、出力軸線Ａ３に沿って延びる。ベース部６１の上端には、ブラケット部６２が設けられる。ブラケット部６２は、板状を呈し、その法線の方向は充填アダプタ５８の軸線Ａ５の方向と一致する。平面視して矩形状であるブラケット部６２は、一の辺部がベース部６１に固定される。ブラケット部６２には、充填アダプタ５８が挿通されるガイド孔６２ａが設けられる。

＜充填ブラケット＞
ガイド孔６２ａは、充填スリーブ５７及び充填アダプタ５８の動きを規制する。具体的には、ガイド孔６２ａは、挿し込まれた充填アダプタ５８に対して、出力軸線Ａ３に沿う動きを許容する一方で、出力軸線Ａ３のまわりの回転を規制する。従って、ガイド孔６２ａは、出力軸線Ａ３に沿う方向が長手方向である。具体的には、ガイド孔６２ａの長手方向の長さは、充填アダプタ５８の外径よりも大きい。一方、ガイド孔６２ａの短手方向の長さ（つまり幅）は、充填アダプタ５８の外径とほぼ同等である。

＜トンネル施工方法＞
次に、ロックボルト施工装置１を用いて支保構造を施工するロックボルト施工方法について説明する。

まず、支保構造を施工する基本的なロックボルト施工方法として、ひとつの支保構造に着目した場合の工程を説明する。次に、本実施形態に係るロックボルト施工装置１を用いて複数の支保構造を施工するロックボルト施工方法を説明する。

図８は、ひとつの支保構造２００に着目した場合の主要な工程を示すフロー図である。図８に示されるように、まず、削孔工程を行う（工程Ｓ１０）。この工程Ｓ１０では、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂによって地山１１０に孔２０１を設ける。

次に、充填工程を行う（工程Ｓ２０）。この工程Ｓ２０では、孔２０１に未硬化のモルタル２０２を充填する。まず、ブーム１１を動作させて、充填ロッド４８の先端を孔２０１の直上まで移動させる（位置調整動作）。次に、ブーム１１を動作させて、充填ロッド４８の延在方向を孔２０１の延在方向と略一致させる（姿勢調整動作）。これらの動作により、孔２０１へ充填ロッド４８を挿入できる準備が整う。なお、位置調整動作及び姿勢調整動作は、実施する順番に制限はない。例えば、姿勢調整動作を実施した後に位置調整動作を行ってもよい。また、位置調整動作及び姿勢調整動作を並行して行ってもよい。続いて、充填ロッド４８の充填ジョイント５２を孔２０１の奥まで挿し込む（工程Ｓ２１）。このとき、孔２０１の内壁面が荒れて充填ロッド４８を挿し込めない場合には、ドリフタ１４により充填ロッド４８を往復移動させて、引っ掛かりの原因となっている岩等の突起物を取り除く。次に、未硬化のモルタル２０２を排出しながら、充填ロッド４８を引き抜く（工程Ｓ２２）。なお、充填工程に使用されるドリフタ４４は充填ロッド４８が奥まで挿し込める場合には打撃機構と回転機構を必ずしも備えている必要はない。ドリフタ４４は充填ロッド４８の基端部を保持できれば足り、第２軸線に沿う方向に往復移動可能に支持するガイドセル４３上を往復移動する機構（キャリッジ４３ｂ）があれば良い。

続いて、挿入工程を行う（工程Ｓ３０）。この工程Ｓ３０では、未硬化のモルタル２０２にロックボルト２０３を挿入する。まず、ロックボルト２０３をボルト保持部２２に取り付ける（工程Ｓ３１）。このとき、ロックボルト２０３には、定着板２０４と定着ナット２０６とを装着しておく。次に、ロックボルト２０３の先端をモルタル２０２が充填された孔２０１の前に移動させた後に（位置調整動作）、ロックボルト２０３の延在方向を孔２０１の延在方向と略一致させる（姿勢調整動作）（工程Ｓ３２）。次に、ボルト保持部２２によってロックボルト２０３をモルタル２０２に押し込む（工程Ｓ３３）。この動作は、キャリッジ２１をガイド１９の基端側から先端側に移動させることにより行われる。そして、キャリッジ２１をガイド１９の先端まで移動させた後に、ボルト保持部２２からロックボルト２０３を取り外す（工程Ｓ３４）。次に、ガイド１９の先端に設けたフートパッド２４をロックボルト２０３の基端に当接させる（工程Ｓ３５）。その後に、ロックボルト２０３をさらに押し込む（工程Ｓ３６）。この動作は、ガイドセル１３に連結されたブーム１１を操作することにより行われる。そして、モルタル２０２が充分に硬化したことが確認できた後に、定着ナット２０６を締め込む（工程Ｓ４０）ことにより定着板２０４を地山１１０に押し当てる。以上の工程Ｓ１０〜Ｓ４０により、一つの支保構造２００が施工される。

ロックボルト施工装置１は、上記の削孔工程Ｓ１０、充填工程Ｓ２０、及び挿入工程Ｓ３０を並行して行うことが可能である。続いて、図９を参照しつつ、複数の支保構造を施工するロックボルト施工方法を説明する。一般的に支保構造の施工は、一断面や、隣接する断面（例えば、２断面）毎に行われる。図９は、本実施形態に係るロックボルト施工装置１を用いて複数の支保構造２００を施工する工程を示すタイムチャートである。図９のタイムチャートにおいて、「ユニットＡ」は、削孔アームユニット１０Ａを示し、「ユニットＢ」は、充填アームユニット４０を示し、「ユニットＣ」は、削孔アームユニット１０Ｂを示すものとする。

まず、一対の削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂを操作して、第１孔と第２孔とを削孔する（第１工程Ｓ１０Ａ，Ｓ１０Ｂ）。このとき、削孔アームユニット１０Ａによる削孔作業（第１工程Ｓ１０Ａ）は、削孔アームユニット１０Ｂによる削孔作業（第１工程Ｓ１０Ｂ）と並行して行う。なお、本実施形態でいう「並行して行う」とは、あるアームユニットによる作業を実施する期間の一部が、別のアームユニットによる作業を実施する期間の一部と重複することをいう。従って、例えば、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂによる削孔作業の開始と終了とがそれぞれ一致する必要はない。これらの工程Ｓ１０Ａ，Ｓ１０Ｂにより、第１孔と第２孔とが削孔される。このとき、充填アームユニット４０は、動作しない。

次に、充填アームユニット４０は、第１孔に未硬化のモルタル２０２を充填する（第２工程Ｓ２０Ａ）。続いて、充填アームユニット４０は、第２孔に未硬化のモルタル２０２を充填する（第２工程Ｓ２０Ｂ）。この第２工程Ｓ２０Ａ，Ｓ２０Ｂは、並行して行われることなく、直列に実行される。ここで、充填作業（第２工程Ｓ２０Ａ，Ｓ２０Ｂ）と並行して、第３孔及び第４孔のための削孔作業（第３工程Ｓ１０Ｃ，Ｓ１０Ｄ）が実行される。つまり、充填作業は、削孔作業と並行して行われる。例えば、第１孔にモルタルを充填しているとき（第２工程Ｓ２０Ａ）には、第３孔の削孔作業（第３工程Ｓ１０Ｃ）と、第４孔の削孔作業（第３工程Ｓ１０Ｄ）とが同時に行われる。また、第２孔にモルタルを充填しているとき（第２工程Ｓ２０Ｂ）にも、第３孔の削孔作業（第３工程Ｓ１０Ｃ）と、第４孔の削孔作業（第３工程Ｓ１０Ｄ）とが同時に行われる。これらの工程により、未硬化のモルタル２０２が充填された第１孔及び第２孔と、新たに設けられた第３孔及び第４孔と、が得られる。

次に、削孔アームユニット１０Ａは、第１孔に充填されたモルタル２０２にロックボルト２０３を挿入する（第４工程Ｓ３０Ａ）。また、削孔アームユニット１０Ｂは、第２孔に充填されたモルタル２０２にロックボルト２０３を挿入する（第４工程Ｓ３０Ｂ）。そして、充填アームユニット４０は、第３孔にモルタルを充填した（第５工程Ｓ２０Ｃ）後に、第４孔にモルタルを充填する（第５工程Ｓ２０Ｄ）。これら第４工程Ｓ３０Ａ，Ｓ３０Ｂ及び第５工程Ｓ２０Ｃ，Ｓ２０Ｄは互いに並行して行う。具体的には、第４工程Ｓ３０Ａ，Ｓ３０Ｂは、第５工程Ｓ２０Ｃに対して並行に行われる。その後、第４工程Ｓ３０Ａ，Ｓ３０Ｂは、第５工程Ｓ２０Ｄに対して並行に行われる。これらの工程により、ロックボルト２０３が挿入された第１孔及び第２孔と、未硬化のモルタル２０２充填された第３孔及び第４孔と、が得られる。

次に、削孔アームユニット１０Ａは、第３孔に充填されたモルタル２０２にロックボルト２０３を挿入する（工程Ｓ３０Ｃ）。この挿入作業と並行して、削孔アームユニット１０Ｂは、第４孔に充填されたモルタル２０２にロックボルト２０３を挿入する（工程Ｓ３０Ｄ）。これらの工程により、ロックボルト２０３が挿入された第３孔及び第４孔が得られる。

以下、トンネル施工におけるサイクルタイムの短縮に関する課題について説明した後に、ロックボルト施工装置１が奏する作用効果について説明する。

山岳トンネルにおけるＮＡＴＭ工法の生産性において、本発明ではサイクルタイムに注目した。ロックボルトの施工時間が単位サイクルあたりの作業時間に占める割合は、およそ２５パーセントであった。例えば、６メートル級のロックボルトをパターンボルトとする場合には、この割合はさらに高くなり得る。従って、サイクルタイムの更なる短縮のため、ロックボルトの施工作業に要する時間の短縮化することに着目した。

ロックボルトの施工作業は、上述したように削孔作業と、充填作業と、挿入作業と、を含む。不良地山においては通常のロックボルトより長い、例えば、６メートル級のロックボルトが設置される。このような不良地山では、孔壁の保持性能が良好でない場合が多い。孔壁の保持性能が悪く孔壁が崩れやすい場合には、孔を削孔した後に、孔壁を清掃する作業が発生する。さらに、充填作業時に孔壁の荒れが発生することもあり得る。孔壁の荒れが生じた場合には、再度の削孔作業を要する。さらに、６メートル級のロックボルトは、人力による挿入は困難である。

本実施形態に係るロックボルト施工装置１のように、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂの２系統に対して、充填アームユニット４０は１系統であることが好ましい。本実施形態では、充填アームユニット４０は充填作業Ｓ２０を行うが、挿入作業Ｓ３０は行わない。削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂで、削孔作業Ｓ１０と挿入作業Ｓ３０を行うことで、充填作業Ｓ４０を連続して行うことができる。従って、充填するモルタルが充填ロッド４８で硬化してしまうことを防止できる。本実施形態に係るロックボルト施工装置１のように、充填アームユニット４０を、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂの間に配置することで、削孔作業Ｓ１０、充填作業Ｓ２０、挿入作業Ｓ３０に切り替えを各アームが錯綜することなく行うことができる。

本実施形態に係るロックボルト施工装置１及びロックボルト施工方法では、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂによって地山１１０に孔２０１を削孔した後に、充填アームユニット４０によって当該孔２０１に未硬化のモルタル２０２を充填する。従って、充填作業Ｓ２０を充填アームユニット４０によって機械化することが可能になる。この充填作業中おいて、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂは、地山１１０に別の孔２０１を削孔する。従って、削孔作業Ｓ１０と、充填作業Ｓ２０とを並行して行うことができる。つまり、このロックボルト施工装置１は、削孔作業Ｓ１０と充填作業Ｓ２０のそれぞれを機械化できると共に、削孔作業Ｓ１０と充填作業Ｓ２０とを並行して行うことが可能である。従って、支保構造２００の施工時間を短縮することができる。

上記の形態において、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂのガイドセル１３は、出力軸線Ａ１の方向に延びるガイド１９と、出力軸線Ａ１の方向に往復移動可能にガイド１９に取り付けられると共に、ドリフタ１４が搭載されるキャリッジ２１と、を含む。削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂは、キャリッジ２１に設けられると共に、ロックボルト２０３の基端を着脱可能に保持するボルト保持部２２と、ガイド１９に取り付けられると共に、ボルト保持部２２に保持されたロックボルト２０３を支持するボルト支持部２３と、ガイド１９の先端に設けられると共に、ロックボルト２０３の基端が着脱可能に嵌め込まれるフートパッド２４と、をさらに有する。この構成によれば、ロックボルト２０３を未硬化のモルタル２０２に埋め込む作業を機械化することが可能になる。従って、支保構造２００を施工するための作業時間をさらに短縮することができる。

上記の形態において、充填アームユニット４０のガイドセル４３は、出力軸線Ａ３の方向に延びるガイド４３ａと、出力軸線Ａ３の方向に往復移動可能にガイド４３ａに取り付けられると共に、ドリフタ４４が搭載されるキャリッジ４３ｂと、を含む。充填ロッド４８は、ドリフタ４４に連結される基端から孔２０１に挿し込まれる先端まで連通する供給孔５１ａを含む。この構成によれば、充填アダプタ５８が取り付けられた充填スリーブ５７の回転が規制される。従って、充填アダプタ５８に連結されたホースを所定の位置に保つことが可能になるので、充填工程Ｓ２０の安全性を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、上記のようにロックボルト施工装置１を動作させるにあたっては、作業者が直接にそれぞれの削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂ及び充填アームユニット４０を操作してもよい。

また、ロックボルト施工装置１は、制御装置（不図示）によって、作業者の操作によらず、それぞれの削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂ及び充填アームユニット４０を制御してもよい。この場合には、ロックボルト施工装置１は、制御装置と、センサとを有する。センサは、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂと充填アームユニット４０の各ガイドセルの位置情報（位置と方向）を計測できる。まず、削孔アームユニット１０Ａが第１孔の削孔作業（Ｓ１０Ａ）を行ったとき、センサは第１孔の位置と方向を計測すると共に記録する。そして、充填アームユニット４０が第１孔への充填作業（Ｓ２０Ａ）を行うとき、制御装置は、第１孔の位置情報を利用して、充填アームユニット４０を第１孔へ誘導する。さらに、削孔アームユニット１０Ａがロックボルト２０３の（Ｓ３０Ａ）を行うとき、制御装置は、第１孔の位置情報を利用して、削孔アームユニット１０Ａを再度、第１孔へ誘導する。この態様によれば、並行して行うことが可能な削孔作業、充填作業及び挿入作業において、削孔アームユニット１０Ａ，１０Ｂと充填アームユニット４０を定着構造の孔に位置情報を利用して容易に誘導できるので作業効率が向上する。近年、開発が進んでいる各アームユニット自動誘導装置付きロックボルト施工装置においてはその効果は飛躍的に向上する。

１…ロックボルト施工装置、２…移動式台車、２ａ…アウトリガ、２ｂ…作業台、３Ａ，３Ｂ…バスケットユニット、４…トンネル施工装置、１０Ａ…削孔アームユニット（第１アームユニット）、１０Ｂ…削孔アームユニット（第１アームユニット）、１１…ブーム（第１ブーム）、１２…削孔装置、１３…ガイドセル（第１ガイドセル）、１４…ドリフタ（第１ドリフタ）、１４ａ…出力軸、１６…メインブシュ、１６ａ…ブシュ貫通穴、１７…サブブシュ、１７ａ…ブシュ貫通穴、１８…ドリルロッド（削孔ロッド）、１８ａ…ビット、１９…ガイド（第１ガイド）、２１…キャリッジ（第１キャリッジ）、２２…ボルト保持部、２３…ボルト支持部、２４…フートパッド（ボルト押圧部）、２４ａ…受入部、２５…ベース、２５ａ…天板部、２６…ホルダ、２７…ブラケット、２８…スリーブ、２９…スペーサ、３１…メインリテーナ、３１ａ…支持部、３２…サブリテーナ、４０…充填アームユニット（第２アームユニット）、４１…ブーム（第２ブーム）、４２…充填装置、４３…ガイドセル（第２ガイドセル）、４３ａ…ガイド（第２ガイド）、４３ｂ…キャリッジ（第２キャリッジ）、４４…ドリフタ（第２ドリフタ）、４６…メインブシュ、４７…サブブシュ、４８…充填ロッド、４９…充填アタッチメント、５１…中空ロッド、５１ａ…供給孔、５２…充填ジョイント、５２ａ…外周面、５３…本体部、５３ａ…孔、５３ｂ…基端面、５４…円錐面部、５６…排出孔、５７…充填スリーブ、５７ａ…軸連結孔、５７ｂ…ロッド連結孔、５７ｃ…アダプタ連結孔、５７ｄ…基端面、５７ｅ…区画壁、５７ｆ…先端面、５７ｇ…外周面、５７ｈ…内周面、５８…充填アダプタ、５８ａ…貫通孔、５９…充填ブラケット、６１…ベース部、６２…ブラケット部、６２ａ…ガイド孔、１００…坑道、１０１…地面、１０２…壁面、１１０…地山、２００…支保構造、２０１…孔、２０２…モルタル、２０３…ロックボルト、２０３ａ…基端、２０４…定着板、２０６…定着ナット、Ａ１，Ａ３…出力軸線、Ａ２，Ａ４，Ａ５…軸線、Ｋ１…角度。

Claims (5)

1. 地山に設けられた孔と、前記孔に充填された充填材と、前記充填材に埋め込まれるロックボルトと、により構成される支保構造を施工するために、移動式台車に搭載されるロックボルト施工装置であって、
   前記孔を削孔する削孔ロッドと、第１軸線を有し前記削孔ロッドを駆動する第１ドリフタと、前記第１ドリフタを前記第１軸線に沿う方向へ往復移動可能に支持する第１ガイドセルと、前記第１ガイドセルを前記移動式台車に連結すると共に、前記地山に対する前記第１ガイドセルの姿勢を制御する第１ブームと、を有する第１アームユニットと、
   前記削孔ロッドが削孔した前記孔に挿し込まれて、前記孔に充填材を充填する充填ロッドと、第２軸線を有し前記充填ロッドの基端を保持する第２ドリフタと、前記第２ドリフタを前記第２軸線に沿う方向へ往復移動可能に支持する第２ガイドセルと、前記第２ガイドセルを前記移動式台車に連結すると共に、前記地山に対する前記第２ガイドセルの姿勢を制御する第２ブームと、を有する第２アームユニットと、を備える、ロックボルト施工装置。
2. 前記第１ガイドセルは、前記第１軸線に沿う方向へ延びる第１ガイドと、前記第１軸線に沿う方向に往復移動可能に前記第１ガイドに取り付けられると共に、前記第１ドリフタが搭載される第１キャリッジと、を含み、
   前記第１アームユニットは、
   前記第１キャリッジに設けられると共に、前記ロックボルトの基端を着脱可能に保持するボルト保持部と、
   前記第１ガイドに配置されると共に、前記ボルト保持部に保持された前記ロックボルトを支持するボルト支持部と、
   前記第１ガイドの先端に設けられると共に、前記ロックボルトの基端が着脱可能に嵌め込まれるボルト押圧部と、をさらに有する、請求項１に記載のロックボルト施工装置。
3. 前記第２ガイドセルは、前記第２軸線に沿う方向に延びる第２ガイドと、前記第２軸線に沿う方向に往復移動可能に前記第２ガイドに取り付けられると共に、前記第２ドリフタが搭載される第２キャリッジと、を含み、
   前記充填ロッドは、前記第２ドリフタに連結される基端から前記孔に挿し込まれる先端まで連通する供給孔と、前記基端側に設けられ前記供給孔に連通する導入孔と、を含む、請求項１又は２に記載のロックボルト施工装置。
4. 地山に設けられた孔と、前記孔に充填された充填材と、前記充填材に埋め込まれるロックボルトと、により構成される支保構造を施工するロックボルト施工方法であって、
   前記孔を削孔する削孔ロッドと、第１軸線を有し前記削孔ロッドを駆動する第１ドリフタと、前記第１ドリフタを前記第１軸線に沿う方向へ往復移動可能に支持する第１ガイドセルと、前記地山に対する前記第１ガイドセルの姿勢を制御する第１ブームと、を有する第１アームユニットを用いて、第１の孔を前記地山に形成する第１工程と、
   前記削孔ロッドが削孔した前記第１の孔に挿し込まれて、前記第１の孔に前記充填材を充填する充填ロッドと、第２軸線を有し前記充填ロッドの基端を保持する第２ドリフタと、前記第２ドリフタを前記第２軸線に沿う方向へ往復移動可能に支持する第２ガイドセルと、前記地山に対する前記第２ガイドセルの姿勢を制御する第２ブームと、を有する第２アームユニットを用いて、前記第１の孔に前記充填材を充填する第２工程と、
   前記第１アームユニットを用いて、前記第１の孔とは別の第２の孔を前記地山に形成する第３工程と、を有し、
   前記第２工程を実施する期間と、前記第３工程を実施する期間とは、互いに重複する部分を含む、ロックボルト施工方法。
5. 前記第１ガイドセルは、前記第１軸線に沿う方向へ延びる第１ガイドを含み、
   前記第１アームユニットは、前記ロックボルトの基端を着脱可能に保持するボルト保持部と、前記第１ガイドに配置されると共に、前記ボルト保持部に保持された前記ロックボルトを支持するボルト支持部と、前記第１ガイドの先端に設けられると共に、前記ロックボルトの基端が着脱可能に嵌め込まれるボルト押圧部と、をさらに有し、
   前記第１アームユニットを用いて、前記充填材が充填された前記第１の孔に前記ロックボルトを挿入する第４工程と、
   前記第２アームユニットを用いて、前記第２の孔に前記充填材を充填する第５工程と、をさらに有し、
   前記第４工程を実施する期間と、前記第５工程を実施する期間とは、互いに重複する部分を含む、請求項４に記載のロックボルト施工方法。

Images