JP7018355B2 - トンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法 - Google Patents

Description

本願発明は、トンネル切羽の状態監視に関する技術であり、より具体的には、レーダーを利用してトンネル切羽の変位を常時監視することでトンネル切羽の状態を監視するトンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法に関するものである。

我が国の国土はその２／３が山地であり、道路や線路などは必ずといっていいほど山地を通過する区間がある。そのため、国内の山岳トンネルの数は１０，０００を超えるといわれている。トンネルは、構築される場所によって都市トンネルと山岳トンネルに大別され、このうち都市トンネルはシールドマシンによって掘進するシールド工法によるのが一般的であり、一方の山岳トンネルはＮＡＴＭ（Ｎｅｗ Ａｕｓｔｒｉａｎ Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）が現在では標準工法とされている。

ＮＡＴＭは、地山が有する強度（アーチ効果）を活用することが一つの特徴であり、従来の矢板工法に比べトンネル支保工の規模を小さくすることができ、施工速度を上げることができるとともに、施工コストを減縮することができる工法として知られている。またＮＡＴＭは、本格的に実施されて以来、飛躍的に掘削技術が進歩しており、種々の補助工法が開発されることによって様々な地山に対応することができるようになり、掘削機械（特に、自由断面掘削機）の進歩によって発破掘削のほか機械掘削も行われるようになった。機械掘削は、掘削断面積や線形にもよるが、一般的には地山の強度（例えば、一軸圧縮強度が４９Ｎ／ｍｍ^２以下）に応じて採用される。

ここでＮＡＴＭによる掘削手順について簡単に説明する。はじめに、トンネル切羽の掘削を行う。発破掘削の場合は、ドリルジャンボによって削孔して火薬（ダイナマイト）を装填し、作業員と機械が退避したうえで発破する。一方、機械掘削の場合は、自由断面掘削機によってトンネル切羽を切削していく。所定長（通常は、１．０～２．０ｍ）の掘削を行うと、不安化した地山部分（浮石など）を落とし（こそく）ながらダンプトラック（あるいはレール工法）によってズリを搬出（ズリ出し）する。そしてズリ出し後に、１次コンクリート吹付を行い、必要に応じて鋼製支保工を建て、２次コンクリート吹付を行うとともにロックボルトの打設を行う。なお、１次コンクリート吹付と２次コンクリート吹付は、掘進した分のトンネル内周面（側壁から天端にかけた周面）に対して行われる。

ＮＡＴＭにおいてトンネル切羽を安定させることは、安全施工の意味からも極めて重要であり、地山強度や湧水、あるいはトンネル切羽の挙動等によっては、トンネル切羽に対して補助工法が行われる。例えば、トンネル切羽を安定させるためのコンクリート吹付（鏡吹付け）やロックボルト（鏡ボルト）の打設、水抜きボーリング、あるいは先受け工としてのフォアポーリングや長尺フォアパイリングなどが行われる。このうちトンネル切羽のコンクリート吹付は、段取りや作業が比較的容易であり、トンネル切羽の縦断方向（掘進方向）の緩みを抑えることができるうえ、トンネル切羽の肌落ちを防止することができ、膨張性地山の場合は空気や水分から隔離することができることから、実践的かつ効果的な補助工法といえる。

またＮＡＴＭは、計測工（Ａ計測やＢ計測）を併用する工法であり、いわゆる情報化施工であって計測結果に応じて掘削パターンを変更し、あるいは補助工法を採用する。標準的な計測工としては、内空変位や天端沈下、地中変位、ロックボルト軸力といった計測が挙げられる。このように側壁や天端といったトンネル内周面に対する計測は標準的に行われる一方、トンネル切羽に関しては切羽観察が行われるものの変位計測など定量的な計測が標準的に行われることはなかった。これは、一連の掘削サイクルを実施する中でトンネル切羽の前には常に大型の機械が設置されていること、無支保のトンネル切羽には容易に人が近づけないこと、などが理由として考えられる。

既述したとおり、ＮＡＴＭにおいてトンネル切羽を安定させることは極めて重要であり、しがたってトンネル切羽に対して定量的な計測を行うことは極めて有益となる。そこで、これまでも掘削中のトンネル切羽を計測する種々の方法が提案されている。例えば特許文献１では、レーザー距離計によってトンネル切羽までの距離を計測することによって、トンネル切羽の押し出し量を監視する技術を提案している。

特開２０１６－００８３９９号公報

一般にレーザー計測は、ターゲットレスで計測できることから近年では幅広く利用される手法となったが、特許文献１のように掘削中のトンネル環境下においてレーザー計測を行う場合、いくつか問題を指摘することができる。

レーザー計測は、レーザーパルスを照射するとともにその反射波を受信し、照射時刻と受信時刻の差から対象物までの距離を求める手法である。したがって、レーザーパルスを照射した点のみの情報が得られるだけであって、例えばトンネル切羽に対して１のレーザーパルスを照射し１点の情報が得られたとしても、これをもってトンネル切羽全体を評価することはできない。もちろん、多数のレーザーパルスをトンネル切羽に照射することも考えられるが、特許文献１のようにトンネル切羽から離れた位置（７０ｍ）から多数のレーザーパルスを照射したとしても、ドリルジャンボやコンクリート吹付機が障壁となってトンネル切羽まで届かず、つまりトンネル切羽の計測ができない。

レーザー計測から照射されるレーザーパルスの波長は著しく短く、数百ｎｍ～数十μｍの波長のものが一般的である。そのため、比較的反射しやすく、換言すれば透過しにくいという特徴を有している。掘削中のトンネルはいわば閉鎖された空間であり、掘削後（発破後や機械による切削後）にはその空間内に多くの粉塵が舞い、コンクリート吹付後にもトンネル切羽周辺は粉塵で覆われ視界も極めて悪くなる。すなわちレーザー計測によれば、特に掘削後やコンクリート吹付後においては、レーザーパルスが粉塵に遮られるためトンネル切羽まで到達せず、つまりトンネル切羽の計測ができない。

本願発明の課題は、従来技術が抱える問題を解決することであり、すなわち掘削後やコンクリート吹付後を含む一連の掘削サイクル（発破時は除く）の中で常にトンネル切羽の変位を計測でき、しかもトンネル切羽全体の変位を面的に計測できるトンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法を提供することである。

本願発明は、比較的長い波長（数ｍｍ～数十ｍｍ）の電波を利用することとし、レーダーアンテナによってトンネル切羽の変位を面的に計測する、という点に着目してなされたものであり、これまでにない発想に基づいて行われた発明である。

本願発明のトンネル切羽監視システムは、トンネル切羽の状態を監視するシステムであり、観測手段と解析手段を備えたものである。このうち観測手段は、トンネル切羽後方のトンネル内周面に設置され、トンネル切羽に電波を照射するとともにトンネル切羽で散乱した反射波を受信するレーダーアンテナからなる手段である。一方の解析手段は、レーダーアンテナが受信した反射波を解析することでトンネル切羽の変位を求める手段である。

本願発明のトンネル切羽監視システムは、解析手段が求めたトンネル切羽の変位に基づいて、小領域（トンネル切羽の分割領域）ごとに吹付けコンクリートの計画吹付厚を設定する吹付厚設定手段をさらに備えたものとすることもできる。

本願発明のトンネル切羽監視システムは、吹付厚管理手段をさらに備えたものとすることもできる。この場合の解析手段は、コンクリート吹付け前の反射波とコンクリート吹付け開始後の反射波に基づいて吹付けコンクリートの実績吹付厚を求める。そして吹付厚管理手段は、実績吹付厚が計画吹付厚に達したときに、小領域ごとに吹付けコンクリートの出来形達成情報を出力する。

本願発明のトンネル切羽監視システムは、トンネル内周面に固定されたレールに沿って、レーダーアンテナを前後移動させる移動手段をさらに備えたものとすることもできる。なお、移動手段によって前方に移動させるとレーダーアンテナがトンネル切羽に接近し、移動手段によって後方に移動させるとレーダーアンテナがトンネル切羽から後退する。

本願発明のトンネル切羽監視システムは、観測手段が略一列（一列を含む）に配置された複数のレーダーアンテナによって形成される非動作型の合成開口レーダーであるものとすることもできる。

本願発明のトンネル切羽監視方法は、トンネル切羽の状態を監視する方法であり、観測工程と解析工程を備えた方法である。このうち観測工程では、トンネル切羽後方のトンネル内周面に設置されたレーダーアンテナが、連続して（あるいは定期的に、又は断続的に）トンネル切羽に電波を照射するとともにトンネル切羽で散乱した反射波を受信する。一方の解析工程では、レーダーアンテナが受信した反射波を解析することでトンネル切羽の変位を求める。

本願発明のトンネル切羽監視方法は、吹付厚設定工程と吹付厚計測工程、鏡吹付け工程をさらに備えた方法とすることもできる。吹付厚設定工程では、解析工程で求めたトンネル切羽の変位に基づいて小領域ごとに吹付けコンクリートの計画吹付厚を設定する。また吹付厚計測工程では、コンクリート吹付け前にレーダーアンテナが受信した反射波とコンクリート吹付け開始後にレーダーアンテナが受信した反射波に基づいて吹付けコンクリートの実績吹付厚を求める。そして鏡吹付け工程では、小領域ごとの吹付けコンクリートの出来形達成情報に基づいてトンネル切羽にコンクリートの吹付けを行う。なお、吹付けコンクリートの出来形達成情報は、実績吹付厚が計画吹付厚に達したときに出力される。

本願発明のトンネル切羽監視方法は、観測準備工程と退避工程をさらに備えた方法とすることもできる。観測準備工程では、トンネル切羽の発破後（あるいはズリ搬出後）に、トンネル切羽後方のトンネル内周面に固定されたレールに沿ってレーダーアンテナをトンネル切羽に接近するように移動させる。また退避工程では、トンネル切羽を発破する直前に、レールに沿ってレーダーアンテナをトンネル切羽から後退するように移動させる。なおこの場合、観測工程では、トンネル切羽に接近したレーダーアンテナが電波を照射するとともに反射波を受信する。

本願発明のトンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法には、次のような効果がある。
（１）トンネル切羽の状態を観測することができるため、安定した掘削と安全な施工を実現することができる。
（２）レーダーアンテナを利用することによってトンネル切羽全体の変位を面的に計測することができ、この結果、トンネル切羽全体の状態を監視することができる。
（３）粉塵が多い掘削後やコンクリート吹付後であっても、トンネル切羽の変位を計測することができ、この結果、発破時を除く一連の掘削サイクルの中で常に（リアルタイムで）トンネル切羽の状態を観測することができる。
（４）従来、トンネル切羽へのコンクリート吹付は、施工者の経験と感覚、あるいは用意されるコンクリート量によってその出来形を管理していた。レーダーアンテナによって実績吹付厚を管理すれば、より適切なコンクリート吹付を行うことができ、より効果的な補助工法とすることができる。
（５）トンネル切羽の変位に応じて吹付コンクリートの計画吹付厚を設定し、これにしたがってコンクリート吹付を行うことで、より効率的かつ効果的なコンクリート吹付を行うことができる。

（ａ）はトンネル切羽を説明するトンネル縦断面図、（ｂ）はトンネル内周面を説明するトンネル横断面図。 本願発明のトンネル切羽監視システムの主な構成を示すブロック図。 （ａ）は非動作型の合成開口レーダーとして形成された観測手段を模式的に示す部分断面図、（ｂ）は動作型の合成開口レーダーとして形成された観測手段を模式的に示す部分断面図。 トンネル切羽を格子状に分割して得られる小領域を示すモデル図。 （ａ）はトンネル切羽の近くに配置された観測手段を示すモデル図、（ｂ）は移動手段によってトンネル切羽付近から後方まで後退した観測手段を示すモデル図。 本願発明のトンネル切羽監視方法の主な工程を示すフロー図。 本願発明のトンネル切羽監視方法の主な工程を示すステップ図。 （ａ）はトンネル切羽の近くに配置された観測手段が観測を行う状況を示すモデル図、（ｂ）は次の掘削サイクルにおいてトンネル切羽の近くの観測手段が観測を行う状況を示すモデル図。

本願発明のトンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法の実施形態の例を図に基づいて説明する。なお本願発明のトンネル切羽監視方法は、本願発明のトンネル切羽監視システムを使用して行う方法である。したがって、まずは本願発明のトンネル切羽監視システムについて説明し、その後に本願発明のトンネル切羽監視方法について説明することとする。

１．トンネル切羽監視システム
本願発明トンネル切羽監視システムは、トンネル内周面に設置された観測手段によってトンネル切羽の状態を監視するものである。ここで「トンネル切羽」とは、図１（ａ）のトンネル縦断面図に示すように掘削中のトンネルにおける最先端（最坑奥）にある地山面である。なお便宜上、掘削方向に合わせて、トンネル切羽に近づく方向を「前方」、坑口（掘削中のトンネル入り口）に近づく方向を「後方」ということとする。また、観測手段が設置される「トンネル内周面」とは、図１（ｂ）のトンネル横断面図に示すように天端～肩部～側壁部を含む（土平を含んでもよい）面のことであり、いわばトンネル内空と地山との境界面である。

図２は、本願発明のトンネル切羽監視システムの主な構成を示すブロック図である。この図に示すようにトンネル切羽監視システム１００は、観測手段１１０及び解析手段１２０を含んで構成され、さらに吹付厚設定手段１３０や適正吹付厚記憶手段１４０、吹付厚管理手段１５０、出力手段１６０、妥当性確認手段１７０、移動手段１８０を含んで構成することもできる。以下、本願発明のトンネル切羽監視システム１００を構成する主な要素ごとに詳しく説明する。

（観測手段）
観測手段１１０は、比較的長い波長（例えば、数ｍｍ～数百ｍｍ）の電波を照射するとともにその反射波を受信するレーダーアンテナを用いたものであり、固定した（移動しない）１のレーダーアンテナを観測手段１１０とすることもできるが、図３に示すように合成開口レーダー（ＳＡＲ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）として形成することが望ましい。なお、観測手段１１０を合成開口レーダーとして形成するには、図３（ａ）に示す「非動作型」とすることもできるし、図３（ｂ）に示す「動作型」とすることもできる。

図３（ａ）に示す非動作型の合成開口レーダー（観測手段１１０）は、２以上（この図では５つ）のレーダーアンテナ１１１をトンネル横断方向（つまり、アジマス方向）に略一列（一列含む）に配置したものであり、これら複数のレーダーアンテナ１１１によって合成開口レーダーを形成する。なお、図３（ａ）に示すレーダーアンテナ１１１はアジマス方向に動作（移動）しないことから、「非動作型」の合成開口レーダーとした。

一方、図３（ｂ）に示す動作型の合成開口レーダー（観測手段１１０）は、１又は２以上（この図では１つ）のレーダーアンテナ１１１をトンネル横断方向（つまり、アジマス方向）に動作（移動）させることによって、すなわち衛星ＳＡＲと同じ原理によって合成開口レーダーを形成するものである。なお、図３（ｂ）に示すレーダーアンテナ１１１はアジマス方向に動作（移動）することから、「動作型」の合成開口レーダーとした。

観測手段１１０のレーダーアンテナ１１１は、連続して、あるいは定期的に、又は断続的に、電波をトンネル切羽に向けて照射し、そして電波がトンネル切羽で散乱した反射波を受信する。

（解析手段）
解析手段１２０は、観測手段１１０（レーダーアンテナ１１１）が受信した反射波を解析することでトンネル切羽の変位を求める手段である。解析手段１２０が反射波を解析する手法としては種々の手法を採用することができ、例えば干渉ＳＡＲによってトンネル切羽の変位を求めることもできる。

干渉ＳＡＲは、２時期の観測結果（観測手段１１０が受信した反射波）を解析して得られた位相の差（位相差）を利用して対象（ここではトンネル切羽）の変化を把握する手法であり、通常、干渉ＳＡＲの結果は縞模様の「ＳＡＲ干渉画像」として表される。あらかじめ、位相差を複数のレンジ（以下、「位相差レンジ」という。）に分類しておき、干渉ＳＡＲの解析結果（つまり位相差）をこの位相差レンジに振り分けるとともに、同一の位相差レンジを示す範囲に対して位相差レンジごとに定められた色（あるいはグレースケール）を付与することでＳＡＲ干渉画像は作成される。

干渉ＳＡＲで得られる位相差は、波長の端数分の差であって整数分の波長差までは把握できない（例えば、３０度の位相差と３９０度の位相差の区別ができない）。したがって、波長が既知であったとしても、位相差から実際の変動距離（長さ）を求めることができない。しかしながら、ＳＡＲ干渉画像で隣接する位相差レンジどうしは、整数分の波長に関しては同じ長さ（波長数）であると考えられるため、所定範囲（ここではトンネル切羽）内の相対的な変化は把握できるわけである。

解析手段１２０が干渉ＳＡＲによって解析する場合、図２に示すように観測手段１１０から反射波データを受け取り、２時期間におけるトンネル切羽内の相対的な変化を求める。解析手段１２０は、観測手段１１０が反射波を受信するタイミングで（つまり受信する都度）トンネル切羽の変位を求めることもできるし、あらかじめ定めた間隔（例えば、３回の受信中１回の解析など）でトンネル切羽の変位を求めてもよい。なお解析手段１２０は、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。このコンピュータ装置は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）や、ｉＰａｄ（登録商標）といったタブレット型端末やスマートフォン、あるいはＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄａｔａ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）などによって構成することができる。ここでコンピュータ装置とは、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリを具備しており、さらにマウスやキーボード等の入力手段やディスプレイ（表示手段）を含むものもある。

解析手段１２０は、トンネル切羽を安定させるために行われるトンネル切羽へのコンクリート吹付（以下、「鏡吹付け」という。）の吹付厚を求めることもできる。なお、後に説明する吹付厚の計画値と区別するため、実際に鏡吹付けを行った吹付厚を「実績吹付厚」、鏡吹付けの吹付厚の計画値を「計画吹付厚」ということとする。解析手段１２０によって鏡吹付けの実績吹付厚を求めるには、鏡吹付け前の反射波と、鏡吹付け開始後の反射波を利用する。具体的には、鏡吹付け開始後から継続的に反射波を解析していき、トンネル切羽の同じ位置に着目して位相差の経時的変化を求めていく。そして、鏡吹付け前に受信した反射波（つまり位相）と、鏡吹付け開始後に受信した反射波（つまり位相）とによって当該位置の実績吹付厚を求めていくわけである。したがって実績吹付厚は、トンネル切羽を分割して得られる小領域（いわゆるメッシュ）ごとに管理（記録）するとよい。なお図４では、トンネル切羽を格子状に分割した小領域を示しているが、これに限らず、放射円状や三角形に分割するなど、種々の小領域を利用することができる。

（吹付厚設定手段）
吹付厚設定手段１３０は、鏡吹付けの計画吹付厚を設定するものであり、解析手段１２０と同様、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。具体的には、図２に示すように解析手段１２０が求めたトンネル切羽の変位データを受け取り、その結果に基づいてリアルタイムに鏡吹付けの計画吹付厚を設定する。このとき、適正吹付厚記憶手段１４０が記憶する「適正吹付厚」と、解析手段１２０によるトンネル切羽の変位データを照らし合わせることで計画吹付厚を設定するとよい。この適正吹付厚は、過去の実績に基づいてあらかじめ設定されるものであり、トンネル切羽の変位と、掘削断面積や掘削パターン（支保分類）、地質、湧水状況といった条件に応じて設定されるものである。すなわち、当該トンネル（掘削中のトンネル）に合致する条件及びトンネル切羽の変位データを適正吹付厚記憶手段１４０に照会することで適正吹付厚を取得し、この適正吹付厚をそのまま計画吹付厚とし、あるいは安全率を乗じたうえで計画吹付厚とするわけである。なお計画吹付厚は、トンネル切羽全体を一様に設定してもよいし、例えば図４に示すような小領域ごとに設定することもできる。ここで設定された計画吹付厚は、後述する出力手段１６０に出力してもよい。

（吹付厚管理手段）
吹付厚管理手段１５０は、鏡吹付けの計画吹付厚に対する実績吹付厚を管理するものであり、いわば鏡吹付けの出来形管理（進捗管理）を行う手段である。この吹付厚管理手段１５０も、解析手段１２０や吹付厚設定手段１３０と同様、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。具体的には、図２に示すように吹付厚設定手段１３０が設定した計画吹付厚を受け取るとともに、解析手段１２０が求めた実績吹付厚を受け取り、この計画吹付厚と実績吹付厚を照らし合わせる。そして、実績吹付厚が計画吹付厚に到達した（あるいは、計画吹付厚以上になった）時点で、その到達したという情報（以下、「出来形達成情報」という。）を出力手段１６０に出力する。このとき、トンネル切羽全体に対して出来形達成情報を出力することもできるが、図４に示すような小領域ごとに出来形達成情報を出力するとより適正な鏡吹付けを行うことができて好適となる。小領域ごとに出来形達成情報を出力する場合、解析手段１２０が小領域ごとに実績吹付厚を求め、吹付厚設定手段１３０が小領域ごとに計画吹付厚を設定するとよい。なお出力手段１６０は、鏡吹付けを行っている場所（つまり、トンネル切羽前）に設置され、例えばディスプレイなど小領域ごとに出来形達成情報を表示するものであり、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。

（妥当性確認手段）
妥当性確認手段１７０は、吹付厚設定手段１３０が設定した計画吹付厚の妥当性を確認するものであり、解析手段１２０や吹付厚設定手段１３０などと同様、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。具体的には、鏡吹付け施工後のトンネル切羽の変位データを受け取り、その変位があらかじめ設定した許容値以内であればその計画吹付厚は適切と判断し、その変位が許容値を超えるときはその計画吹付厚は不適と判断する。妥当性確認手段１７０が適否判断した結果は、今後の適正施工のため適正吹付厚記憶手段１４０が記憶する適正吹付厚に反映させるとよい。また妥当性確認手段１７０が計画吹付厚を不適としたときは、その情報を出力手段１６０に表示し、さらなる鏡吹付けを行うよう作業者に促すこともできる。

（移動手段）
移動手段１８０は、観測手段１１０を前方に（つまり、トンネル切羽に接近するように）移動させるとともに、観測手段１１０を後方に（つまり、トンネル切羽から後退するように）移動させるものである。トンネル切羽を観測するときは、図５（ａ）に示すように観測手段１１０をできるだけトンネル切羽の近くに配置することが望ましい。他方、トンネル切羽を発破するときは、図５（ｂ）に示すように観測手段１１０はトンネル切羽から遠ざける方がよい。移動手段１８０は、観測時には観測手段１１０をトンネル切羽の近くに配置し、発破時にはトンネル切羽から遠ざけることができるものである。

移動手段１８０は、トンネル軸（延長）方向に沿って設置されるレールと、駆動手段を含んで構成される。この駆動手段としては、観測手段１１０を自走させる動力形式のものや、ウィンチとワイヤーを組み合わせたけん引式のものなど、種々の仕様のものを採用することができる。例えば図３に示す移動手段１８０では、レールとしてＨ形鋼をトンネル天端付近に敷設するとともに、車輪を具備する吊冶具が観測手段１１０を吊り下げ、Ｈ形鋼の下フランジ上を車輪が走ることで車輪とともに観測手段１１０が移動する構造としている。このように移動手段１８０を設けることによって、観測手段１１０はレールに沿って前方に移動し、レールに沿って後方に移動することができるわけである。なお図５では、観測手段１１０と移動手段１８０の組み合わせ（セット）をトンネル天端付近に２組設置しているが、これに限らずトンネル内周面のうち肩部付近や側壁部付近（あるいは土平付近）に観測手段１１０と移動手段１８０のセット（あるいは観測手段１１０のみ）を設置することもできるし、１組又は３組以上の観測手段１１０と移動手段１８０のセット（あるいは観測手段１１０のみ）を設置することもできる。

２．トンネル切羽監視方法
次に本願発明のトンネル切羽監視方法について図を参照しながら説明する。なお、本願発明のトンネル切羽監視方法は、ここまで説明したトンネル切羽監視システム１００を使用して行う方法であり、したがってトンネル切羽監視システム１００で説明した内容と重複する説明は避け、本願発明のトンネル切羽監視方法に特有の内容のみ説明することとする。すなわち、ここに記載されていない内容は、「１．トンネル切羽監視システム」で説明したものと同様である。

図６は本願発明のトンネル切羽監視方法の主な工程を示すフロー図であり、図７は本願発明のトンネル切羽監視方法の主な工程を示すステップ図である。なお、図６の左列はトンネル掘削の一連の工程（掘削サイクル）を示し、右列はトンネル切羽を監視する工程を示している。なお、ここでは便宜上、発破掘削の場合で説明するが、本願発明のトンネル切羽監視方法は、機械掘削でも実施できる。

図６や図７（ａ）に示すように、掘削サイクルとしてまずは火薬装填のための削孔が行われる（Ｓｔｅｐ１０１）。削孔中、トンネル切羽は観測手段１１０によって観測され、解析手段１２０によってその変位が求められる。計画どおり削孔が完了すると、火薬を装填し、図７（ｂ）に示すように観測手段１１０を移動手段１８０によって後方に退避させた（Ｓｔｅｐ２０１）うえで、発破を行う（Ｓｔｅｐ１０２）。

発破が完了すると、図７（ｃ）に示すように移動手段１８０によって観測手段１１０をトンネル切羽に接近させて観測態勢を整え（Ｓｔｅｐ２０２）、実際に観測手段１１０による観測を開始し、解析手段１２０による変位算出を開始する（Ｓｔｅｐ２０３）。その後、図７（ｄ）に示すようにズリを坑外に搬出する「ズリ出し」を行い（Ｓｔｅｐ１０３）、トンネル切羽を整形するとともに浮石を除去する「こそく」を行う（Ｓｔｅｐ１０４）。ここで、次工程である鏡吹付けの前に、解析手段１２０が求めたトンネル切羽の変位に基づいて、吹付厚設定手段１３０がトンネル切羽の小領域ごとに計画吹付厚を設定する（Ｓｔｅｐ２０４）。

計画吹付厚が設定されると、図７（ｅ）に示すように鏡吹付けを行い（Ｓｔｅｐ１０５）、１次コンクリート吹付を行う（Ｓｔｅｐ１０６）。鏡吹付け開始後は、継続的に解析手段１２０によって実績吹付厚が求められ（Ｓｔｅｐ２０５）、実績吹付厚が計画吹付厚に到達した（あるいは、計画吹付厚以上になった）時点で、出来形達成情報を出力手段１６０に出力する。なお、この出来形達成情報は、小領域ごとに判定されたうえで出力手段１６０に出力される。鏡吹付けのオペレーターは、出力手段１６０で出来形達成情報を確認しながら鏡吹付け作業を行い、すべての小領域で出来形達成情報が出力されると鏡吹付け作業を終了する。なお、この時点で妥当性確認手段１７０によって計画吹付厚が不適と判断された場合、これを出力手段１６０で確認したオペレーターは実績吹付厚が計画吹付厚に到達したとしてもさらなる鏡吹付けを行うとよい。

鏡吹付けと１次コンクリート吹付を行うと、図７（ｆ）に示すように鋼製支保工を建込み（Ｓｔｅｐ１０７）、２次コンクリート吹付を行って（Ｓｔｅｐ１０８）、ロックボルトを打設する（Ｓｔｅｐ１０９）。なお、観測手段１１０による観測と解析手段１２０による変位算出は継続して行われており、鏡吹付け後のトンネル変位も求められている。そこで、妥当性確認手段１７０が計画吹付厚の適否判断を行い（Ｓｔｅｐ２０６）、その結果を適正吹付厚記憶手段１４０が記憶する適正吹付厚に反映させる。

ロックボルトを打設すると一連の掘削サイクルが完了し、次の掘削サイクルに移り、再び火薬装填のための削孔が行われる（Ｓｔｅｐ１０１）。そして、計画どおり削孔が完了し、火薬を装填すると、観測手段１１０による観測と解析手段１２０による変位算出は一旦中断され（Ｓｔｅｐ２０７）、観測手段１１０を移動手段１８０によって後方に退避させるＳｔｅｐ２０１）。すなわち、一連の掘削サイクルの中で、図６に示す「観測～解析開始（Ｓｔｅｐ２０３）」から「観測～解析中断（Ｓｔｅｐ２０７）」まで、観測手段１１０による観測と解析手段１２０による変位算出は継続して行われる。

ところで、トンネル掘削サイクルが進むと、観測手段１１０とトンネル切羽の距離が徐々に離れていく。例えば図８では、図８（ａ）から図８（ｂ）にかけて１掘削サイクル分だけトンネル切羽が進んでいるため、図８（ｂ）に示す観測手段１１０の方が図８（ａ）に示す観測手段１１０よりトンネル切羽から離れている。ただし、トンネル掘削サイクルが進むたびに観測手段１１０や移動手段１８０を盛り替える（前方に移し替える）「段取り替え」を行うのは著しく手間がかかるため、観測手段１１０とトンネル切羽の距離が観測精度に支障がない範囲では段取り替えを行わず、観測精度に支障が出る程度に観測手段１１０とトンネル切羽が離れたときに段取り替えを行うとよい。

本願発明のトンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法は、道路トンネルや鉄道トンネルのほか、人道トンネルなど様々なトンネル掘削に利用することができる。本願発明によれば、トンネル切羽を安定した状態で掘削することによって手戻りなくトンネルを完成させることができ、すなわち早々に利用に供することができるとともに、作業者の安全を確保したうえで施工することができることを考えれば、産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献を期待し得る発明である。

１００ トンネル切羽監視システム
１１０ （トンネル切羽監視システムの）観測手段
１１１ （観測手段の）レーダーアンテナ
１２０ （トンネル切羽監視システムの）解析手段
１３０ （トンネル切羽監視システムの）吹付厚設定手段
１４０ （トンネル切羽監視システムの）適正吹付厚記憶手段
１５０ （トンネル切羽監視システムの）吹付厚管理手段
１６０ （トンネル切羽監視システムの）出力手段
１７０ （トンネル切羽監視システムの）妥当性確認手段
１８０ （トンネル切羽監視システムの）移動手段

Claims (8)

1. トンネル切羽の状態を監視するシステムにおいて、
   トンネル切羽後方のトンネル内周面に設置され、トンネル切羽に電波を照射するとともにトンネル切羽で散乱した反射波を受信するレーダーアンテナからなる観測手段と、
   前記レーダーアンテナが受信した反射波を解析することでトンネル切羽の変位を求める解析手段と、
   を備えたことを特徴とするトンネル切羽監視システム。
2. 前記解析手段が求めたトンネル切羽の変位に基づいて、トンネル切羽を分割した小領域ごとに吹付けコンクリートの計画吹付厚を設定する吹付厚設定手段を、さらに備えた、
   ことを特徴とする請求項１記載のトンネル切羽監視システム。
3. 前記解析手段が、コンクリート吹付け前の反射波と、コンクリート吹付け開始後の反射波と、に基づいて吹付けコンクリートの実績吹付厚を求め、
   前記実績吹付厚が前記計画吹付厚に達したときに、前記小領域ごとに吹付けコンクリートの出来形達成情報を出力する吹付厚管理手段を、さらに備えた
   ことを特徴とする請求項２記載のトンネル切羽監視システム。
4. トンネル内周面に固定されたレールに沿って、前記レーダーアンテナを前後移動させる移動手段を、さらに備え、
   前記移動手段によって前方に移動させると前記レーダーアンテナがトンネル切羽に接近し、前記移動手段によって後方に移動させると前記レーダーアンテナがトンネル切羽から後退する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のトンネル切羽監視システム。
5. 前記観測手段が、一列又は略一列に配置された複数のレーダーアンテナによって形成される非動作型の合成開口レーダーである、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のトンネル切羽監視システム。
6. トンネル切羽の状態を監視する方法において、
   トンネル切羽後方のトンネル内周面に設置されたレーダーアンテナが、連続して、定期的に、又は断続的に、トンネル切羽に電波を照射するとともにトンネル切羽で散乱した反射波を受信する観測工程と、
   前記レーダーアンテナが受信した反射波を解析することでトンネル切羽の変位を求める解析工程と、を備えた、
   ことを特徴とするトンネル切羽監視方法。
7. 前記解析工程で求めたトンネル切羽の変位に基づいて、トンネル切羽を分割した小領域ごとに吹付けコンクリートの計画吹付厚を設定する吹付厚設定工程と、
   コンクリート吹付け前に前記レーダーアンテナが受信した反射波と、コンクリート吹付け開始後に前記レーダーアンテナが受信した反射波と、に基づいて吹付けコンクリートの実績吹付厚を求める吹付厚計測工程と、
   前記小領域ごとの吹付けコンクリートの出来形達成情報に基づいて、トンネル切羽にコンクリートの吹付けを行う鏡吹付け工程と、をさらに備え、
   前記吹付けコンクリートの出来形達成情報は、前記実績吹付厚が前記計画吹付厚に達したときに出力される、
   ことを特徴とする請求項６記載のトンネル切羽監視方法。
8. トンネル切羽の発破後、又はズリ搬出後に、トンネル切羽後方のトンネル内周面に固定されたレールに沿って前記レーダーアンテナをトンネル切羽に接近するように移動させる観測準備工程と、
   トンネル切羽を発破する直前に、前記レールに沿って前記レーダーアンテナをトンネル切羽から後退するように移動させる退避工程と、をさらに備え、
   前記観測工程では、トンネル切羽に接近した前記レーダーアンテナが電波を照射するとともに反射波を受信する、
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７記載のトンネル切羽監視方法。

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