JP7152730B2 - 吹付厚管理装置およびトンネル施工方法 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 （１）令和３年９月９日に「令和３年度土木学会全国大会 ｉｎ関東 オンライン」の講演情報（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓｃｅ２０２１／ｓｕｂｊｅｃｔ／ＶＩ－４３９／ｄａｔｅ？ｃｒｙｐｔｏＩｄ＝」において公開 （２）令和３年９月９日に「令和３年度土木学会全国大会 ｉｎ関東 オンライン」のオンライン発表（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓｃｅ２０２１／ｓｕｂｊｅｃｔ／ＶＩ－４３９／ｄａｔｅ？ｃｒｙｐｔｏＩｄ＝）において公開 （３）令和３年１０月１８日に「日刊建設工業新聞オンライン」（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｄｅｃｎ．ｃｏ．ｊｐ／？ｐａｇｅ＿ｉｄ＝２）において公開 （４）令和３年１０月１８日に「日刊建設工業新聞，第３面」において公開 （５）令和３年１０月１８日に「建設通信新聞ＤＩＧＩＴＡＬ」（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｋｅｎｓｅｔｓｕｎｅｗｓ．ｃｏｍ／ａｒｃｈｉｖｅｓ／６２２７３７）において公開 （６）令和３年１０月１８日に「建設通信新聞，第３面」において公開

本発明は、トンネル施工における吹付コンクリートの吹付厚管理装置およびトンネル施工方法に関する。

ＮＡＴＭ等による山岳トンネルの施工では、機械掘削工法や発破掘削工法によって地山を掘削し、地山の掘削によって露出した地山面を支保工により閉合する。地山面の閉合に使用する支保工は、地山面に沿って建て込まれる鋼製支保工、地山面に吹き付けられる吹付コンクリート、地山に挿入されるロックボルト等を適宜組み合わせて形成される。
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。

ところが、特許文献１の管理方法は、複数のカメラやレーザー装置を必要としているとともに、複雑な演算をするための装置を必要としている。そのため、設備が複雑でコストが高く、メンテナンスにも手間がかかる。また、オペレータは、表示手段の画面と吹付面とを見比べながら作業を行う必要があり、手間がかかる。
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。

特開２０２０－８４５３９号公報

宮島保幸、他４名、「トンネル切羽の鏡吹付コンクリート厚さ管理システムの開発」、令和元年度土木学会全国大会第７４回年次学術講演会、ＶＩ－７３３

本発明は、簡易な計測器と簡易なシステムにより、トンネル切羽における鏡部とアーチ部に対する吹付コンクリートの吹付厚さをリアルタイムで把握することを可能とし、また、施工時のオペレータの負担を軽減することを可能とした、吹付厚管理装置とこれを利用したトンネル施工方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明の吹付厚管理装置は、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、前記レーザー距離計に装備された傾斜計とを備えている。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する。また、前記傾斜計は、水平面に対するレーザー光の傾斜角度を測定する。また、前記演算手段は、前記初期距離と前記吹付距離と前記傾斜角度に基づいて前記吹付厚さを算出する。さらに、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か、またはレーザー光の連続照射と点滅照射を切り替える。
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。

かかる吹付厚管理装置およびトンネル施工方法によれば、比較的簡易な装置を利用して吹付コンクリートの吹付厚を管理することができるため、経済的であるとともに、メンテナンス等に要する手間も低減できる。また、オペレータは、レーザー照射手段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を抑制できる。

前記レーザー距離計および前記レーザー照射手段が、吹付マシンの操作席の近傍に設置されていれば、前記吹付マシンのオペレータが操作席に座ったまま手を伸ばす、あるいは操作席で立ちあがって手を伸ばすことによりレーザー距離計やレーザー照射手段の向きの微調整ができるため、作業の効率化を図ることができる。
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。

吹付装置は、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いるのが望ましい。かかる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のが望ましい。
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。

本発明の吹付厚管理装置とこれを利用したトンネル施工方法によれば、簡易な計測器と簡易なシステムにより、トンネル切羽における鏡とアーチ部に対する吹付コンクリートの吹付厚さをリアルタイムで把握することを可能とし、また、施工時のオペレータの負担を軽減することが可能となる。

本発明の実施形態にかかるトンネルの支保構造を示す図であって、（ａ）は横断図、（ｂ）は縦断図である。 本実施形態の吹付厚管理装置を示すブロック図である。 吹付マシンを示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）はトンネル坑口側から望む正面図である。 レーザー距離計およびレーザー照射手段を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 鏡部の吹付厚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。 アーチ部の吹付厚の算出用の説明図であって、（ａ）は横断図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は模式図である。 吹付厚管理装置のスイッチボックスを示す正面図である。 演算手段の入力画面の一例を示す概略図である。 他の形態に係るレーザー距離計およびレーザー照射手段を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 その他の形態に係るレーザー距離計およびレーザー照射手段を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 取付部材の一例を示す斜視図である。

本実施形態では、ＮＡＴＭ等の山岳トンネル工法によりトンネルＴを施工する場合について説明する。山岳トンネル工法では、地山を掘削してトンネルＴの切羽Ｋ（トンネルＴの先端部）を前進させ、トンネルＴの前進により露出した地山を支保工により閉塞する。図１（ａ）および（ｂ）に本実施形態のトンネルＴの支保構造１を示す。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態のトンネルＴの支保構造１は、地山Ｇに対して吹付けられた吹付コンクリート１１と、トンネル軸方向に対して所定の間隔により建て込まれた鋼製支保工１２と、地山Ｇに打設されたロックボルト１３により構成されている。本実施形態では、切羽Ｋにおける作業時の安全性の向上を図るために、吹付コンクリート１１を切羽Ｋの鏡部Ｋ１とアーチ部Ｋ２に対して吹付ける。吹付コンクリート１１は、所定の吹付厚を確保しながら吹付ける必要がある。吹付コンクリート１１の施工時の吹付厚の確認（計測）には、吹付厚管理装置２を使用する。

図２は、吹付厚管理装置２のブロック図である。吹付厚管理装置２は、図２に示すように、複数のレーザー距離計３、複数のレーザー照射手段４、演算手段５および制御手段６を備えている。レーザー距離計３、レーザー照射手段４および演算手段５は、制御手段６に接続されている。
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。

レーザー距離計３は、制御手段６により送信された制御信号を受けて作動し、切羽Ｋの鏡部Ｋ１またはアーチ部Ｋ２に対して任意に設定した計測点Ｐまでの距離を測定する。図３に切羽Ｋ近傍に据え付けられた吹付マシン７を示す。レーザー距離計３は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、トンネルＴの切羽Ｋにおける鏡部Ｋ１およびアーチ部Ｋ２に任意に設定した計測点Ｐに対してレーザー光を照射し、計測点Ｐから反射したレーザー光の反射光を受光するまでの時間によりレーザー距離計３から計測点Ｐまでの距離を算出する。レーザー距離計３による吹付コンクリート１１の表面までの距離である吹付距離値の測定は、任意に設定された所定時間毎（本実施形態では１０秒毎）に行う。レーザー距離計３の測定結果は、演算手段５に送信される。すなわち、レーザー距離計３は、トンネル掘削により露出した地山面までの初期距離値と、地山面に吹き付けられた吹付コンクリート１１の表面までの吹付距離値を測定する。また、レーザー距離計３には、傾斜計が装備されていて、水平面に対するレーザー光の傾斜角度（すなわち、水平面に対するレーザー距離計３の傾斜角度、以下鉛直角度という。）を取得可能である。また、レーザー距離計３には、鉛直軸周りの回転角度（以下、水平角度という。）を取得する手段が備わっている。この手段は、例えば、切羽面の法線（トンネル軸線）を基準線（回転角０度）として、レーザー距離計３の鉛直軸周りの回転角度を取得する。

レーザー距離計３は、吹付マシン７の操作席７１の近傍に設置されている。そのため、レーザー距離計３は、吹付マシン７のオペレータにより向きの微調整が可能である。レーザー距離計３は、まず、計測点Ｐ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測定する（初期測定作業）。その後、レーザー距離計３は、吹付コンクリート１１の吹付作業中に、計測点Ｐにおける吹付コンクリート１１の表面までの距離を測定する。本実施形態では、複数のレーザー距離計３が設けられていて、鏡部Ｋ１に設定された計測点Ｐに対して距離測定を行うレーザー距離計３と、アーチ部Ｋ２に設定された計測点Ｐに対して距離測定を行うレーザー距離計３とをそれぞれ有している。レーザー距離計３の配置は限定されるものではないが、本実施形態では、鏡部Ｋ１の測定を行うレーザー距離計３を操作席７１の上側に配設し、アーチ部Ｋ２の測定を行うレーザー距離計３を操作席７１の側方に配設している。なお、本実施形態では、操作席７１の右側に配設されたレーザー距離計３によりトンネルの左側のアーチ部Ｋ２の測定を行い、操作席７１の左側に配設されたレーザー距離計３によりトンネルの右側のアーチ部Ｋ２の測定を行う。こうすることで、トンネル壁面（地山面または吹付表面）に対するレーザー光の入射角度をなるべく大きくして、測定精度をより高める。トンネル壁面とレーザー光との内角が鋭角の場合、反射光が検知し難くなるため、トンネル壁面（アーチ部Ｋ２）に対するレーザー光の入射角度はなるべく９０°に近い方が望ましい。

図４（ａ）および（ｂ）にレーザー距離計３を示す。レーザー距離計３は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、前面に粉塵防護ガラス材３２が設けられた第一防塵筐体３１に収納されている。第一防塵筐体３１は、内部に粉塵等が侵入することがないように密閉されている。第一防塵筐体３１は、取付部材８を介して吹付マシン７に取り付けられている。第一防塵筐体３１には、レーザー光の照射方向と粉塵防護ガラス材３２が直角になるように調整するための角度調整手段（つまみネジ）３３が設置されている。粉塵防護ガラス材３２は、第一防塵筐体３１に対して取り外し可能に設置されている。粉塵防護ガラス材３２が粉塵等の付着や傷によりレーザー光を透光し難くなった場合には、第一防塵筐体３１から取り外して新しい粉塵防護ガラス材３２と交換すればよい。

レーザー照射手段４は、制御手段６から送信された信号に応じて計測点Ｐの近傍にレーザー光を照射する（図３（ａ）および（ｂ）参照）。本実施形態では、レーザー照射手段４として、焦点の大きさが鏡面で３０ｍｍ程度のレーザー光を照射可能なものを使用する。図４（ａ）に示すように、レーザー照射手段４は、それぞれ色が異なるレーザー光を照射する２台の投光器４１，４１を備えている。投光器４１のレーザー光の色は限定されるものではないが、粉塵が飛散し、明るさも制限されるトンネル坑内において確認がしやすい赤と緑にするのが望ましい。レーザー照射手段４は、制御手段６から送信された演算手段５の計算結果に基づいた信号に応じて、レーザー光の色を変化（レーザー光を照射する投光器４１を選択）、またはレーザー光の連続照射と点滅照射を切り替える。

図３（ａ）および（ｂ）に示すように、レーザー照射手段４は、吹付マシン７の操作席７１の近傍に設置されている。そのため、レーザー照射手段４は、吹付マシン７のオペレータの手作業により向きの微調整が可能である。本実施形態では、レーザー距離計３と同数のレーザー照射手段４が設けられている。すなわち、鏡部Ｋ１に設定された計測点Ｐの近傍にレーザー光を照射するレーザー照射手段４と、アーチ部Ｋ２に設定された計測点Ｐの近傍にレーザー光を照射するレーザー照射手段４とをそれぞれ有している。

レーザー照射手段４は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、前面に粉塵防護ガラス材４３が設けられた第二防塵筐体４２に収納されている。第二防塵筐体４２は、内部に粉塵等が入り込まないように密閉されている。第二防塵筐体４２は、取付部材８を介して吹付マシン７に取り付けられている。本実施形態では、第一防塵筐体３１と第二防塵筐体４２が、取付部材８を挟んで対向するように設けられている。すなわち、レーザー距離計３とレーザー照射手段４は、同一の取付部材８を挟んで上下又は左右に並設されている。第二防塵筐体４２には、レーザー光の照射方向と粉塵防護ガラス材３２が直角になるように調整するための角度調整手段（つまみネジ）４４が設置されている。粉塵防護ガラス材４３は、第二防塵筐体４２に対して取り外し可能に設置されている。粉塵防護ガラス材４３が粉塵等の付着や傷によりレーザー光を透光し難くなった場合には、第二防塵筐体４２から取り外して新しい粉塵防護ガラス材４３と交換すればよい。

演算手段５は、レーザー距離計３の測定結果から吹付厚さを算出する。吹付厚さは、初期距離と吹付距離とレーザー距離計３によるレーザー光の照射角度により算出する。本実施形態の演算手段は、いわゆるパーソナルコンピュータである（図２参照）。
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

また、演算手段５によるアーチ部Ｋ２の吹付厚Ｌの計算は、以下の手順により行う。ここで、図６は、アーチ部Ｋ２の吹付厚Ｌの算出用の説明図であって、（ａ）は横断図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は模式図である。
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＝（ＹＬ^２＋ＺＬ^２）^１／２ ・・・ 式８

吹付厚管理装置２の起動、停止は、操作席７１に設けられたスイッチボックス２１により行う。図７にスイッチボックス２１の一例を示す。
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。

吹付厚管理装置２を利用した吹付コンクリート１１の施工方法は、トンネルＴを所定長掘進した後、吹付マシン７を切羽近傍の所定の位置に据え付ける。次に吹付厚管理装置２に電源をいれて、レーザー距離計３およびレーザー照射手段４の向きなどの微調整を行う。このとき、スイッチボックス２１のセレクタスイッチ２２を２の位置に合わせて準備状態にする。準備状態では、切羽や側壁に照射されたレーザー光の位置等により、吹付厚管理装置２（吹付マシン７）の微調整等を行う。例えば、前施工サイクルにおける鏡面に対するレーザー光の位置関係と同等になるように、鏡面に対して照射されたレーザー光の位置から微調整を行う。レーザー照射手段４同士の位置関係は一定のため、各レーザー光と切羽や壁面との位置関係を調整することで、施工サイクル毎の位置決めが一定になるように微調整を行う。
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。

初期値を測定したら、吹付コンクリート１１の吹付を開始する。吹付コンクリート１１の吹付作業中は、レーザー距離計３により、所定時間毎（本実施形態では１０秒毎）に吹付コンクリート１１表面までの距離を測定する。演算手段５は、レーザー距離計３から測定値を入手すると、吹付厚を算出する。演算手段５には、吹付厚に対応する閾値が入力可能である。制御手段６は、演算手段５により算出された吹付厚と、演算手段５に入力された閾値（本実施形態では、３０，５０，７０，９０ｍｍ）とを比較して、レーザー照射手段４に信号を送信する。レーザー照射手段４は、吹付厚に応じたレーザー光を測定点の近傍に照射する。レーザー照射手段４は、例えば、吹付厚が０～３０ｍｍの範囲内のときは赤色のレーザー光を照射し、３０～５０ｍｍの範囲内は赤色と緑色のレーザー光を照射し、５０～７０ｍｍの範囲内のときは緑色のレーザー光を照射し、７０～９０ｍｍの範囲内のときは赤色と緑色のレーザー光を点滅させ、９０ｍｍを超えた場合は赤色のレーザー光を点滅させる。
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）。

吹付厚さは、任意に設定した時間ピッチ（例えば、０．４秒や０．２秒ピッチ）で測定した複数（移動平均サンプル数）の測定値の移動平均値である吹付距離値から算出する。なお、本実施形態では、移動平均サンプル数を２５０回までとすることが可能とする。図８に、演算手段５の入力画面の例を示す。制御手段６は、任意に設定した時間毎に吹付厚さを判定し、レーザー照射手段４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。例えば、０．４秒ピッチで測定を行い、１０の測定値により平均値（移動平均値）を算出する場合には、３．６秒毎の移動平均値により判定を行う。閾値判定を細かく実施すると、誤動作の原因となるため、演算手段５は、あらかじめ入力された所定の時間（閾値判定周期）毎に吹付厚と閾値とを比較する。吹付厚の移動平均値に応じて、レーザー照射手段４から照射されるレーザー光の色が変化する。なお、演算手段５は、予め設定された所定の時間（ログ保存周期）まで測定値を保存するように構成されている。
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。

本実施形態の吹付厚管理装置２およびトンネル施工方法によれば、比較的簡易な構成の装置を利用して吹付コンクリート１１の吹付厚を管理することができるため、経済的であるとともに、メンテナンス等に要する手間も低減できる。吹付厚の算出は、複数回測定した測定値の平均値（移動平均）から算出するため、機械振動等に起因するデータのばらつき抑制し、より正確なデータによる管理が可能となる。さらに、フィルタ機能によりデータ整理を行うことで、例えばノズルアームの干渉によってレーザー距離計３による測定が妨げられるなど、測定データに異常値が発生した場合であっても、当該データを取り除いたデータ処理を可能としている。
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。

吹付厚管理装置２は、自動的に所定時間毎の吹付厚の測定を行うため、作業員などが切羽に入って吹付厚の計測を行う必要がなく、作業性の向上を図ることができる。
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は同一の取付部材８を介して吹付マシン７に取り付けられているため、レーザー距離計３およびレーザー照射手段４の微調整等を同時に行うことができ、作業性に優れている。
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。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
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、前記実施形態では、第一防塵筐体３１と第二防塵筐体４２が、同一の取付部材８を介して連結されている場合について説明したが、第一防塵筐体３１と第二防塵筐体４２を連結する部材は取付部材８に限定されるものではなく、例えば、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、ボルト等の治具８１であってもよい。
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。

前記実施形態では、スイッチボックス２１のセレクタスイッチ２２を手動で操作するものとしたが、吹付厚管理装置２（スイッチボックス２１）は、吹付マシン７と連動していてもよい。例えば、吹付マシン７のアウトリガー張り出しの信号を受信するとセレクタスイッチ２２が２の準備状態となり、コンクリート吹付用のポンプ作動の信号を受信することでセレクタスイッチ２２が３の測定状態になり、また、運転席の昇降の信号を受信することでセレクタスイッチ２２が４の測定中断の状態、さらに、コンプレッサーが停止した際にはセレクタスイッチ２２が１の測定終了の状態になるようにしてもよい。

１ 支保構造
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

Claims (5)

1. 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、
   前記レーザー距離計に装備された傾斜計と、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、
   前記傾斜計は、水平面に対するレーザー光の傾斜角度を測定し、
   前記演算手段は、前記初期距離と前記吹付距離と前記傾斜角度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。
2. 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。
3. 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。
4. 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３のいずれか１項に記載の吹付厚管理装置。
5. 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。

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