JP7252850B2 - 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、地山にロックボルトを施工する装置及び方法に関する。

山岳トンネルの施工に主に用いられるＮＡＴＭ（Ｎｅｗ Ａｕｓｔｒｉａｎ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）工法では、トンネル周壁を安定させることを目的として、トンネル周壁に複数のロックボルトが設置される。ロックボルトの施工では、トンネル周壁に孔を削孔する削孔作業と、当該孔に充填材を注入する注入作業と、当該孔にロックボルトを挿入する挿入作業と、が行われる。特許文献１には、削孔作業、注入作業及び挿入作業を実行可能なロックボルト施工装置が開示されている。

特許文献１に開示されたロックボルト施工装置は、孔を削孔する削孔ロッドをガイドする第１ガイドセルと、充填材を注入する注入ロッドをガイドする第２ガイドセルと、を備えている。第１ガイドセルは、ロックボルトを保持可能なボルト保持部を備えており、ロックボルトをガイド可能である。第１ガイドセル及び第２ガイドセルは、ブームに支持されており、ブームの動作により、第１ガイドセル及び第２ガイドセルの位置が調整される。

特開２０１９－０６５５３６号公報

トンネル周壁を過不足なく安定させるためには、トンネル軸線に沿って予め定められた所定の間隔を空けて複数のロックボルトを施工することが有効である。特許文献１に開示されたロックボルト施工装置を用いてロックボルトを施工する場合には、施工済のロックボルトからトンネル軸線に沿って所定の間隔離れた位置に第１及び第２ガイドセル等の施工部を誘導して削孔作業、注入作業及び挿入作業を行うことが好ましい。

新たにロックボルトを施工する位置に施工部を誘導する方法として、作業者の手作業によりスケールをトンネル軸線に沿ってトンネル周壁に当てて施工済のロックボルトから所定の間隔離れた位置を特定し、特定された位置に施工部を誘導することが考えられる。しかしながら、手作業による位置の特定には時間がかかる。そのため、新たにロックボルトを施工する位置に施工部を誘導するのに時間がかかり、効率よくロックボルトを施工することができない。

本発明は、ロックボルトを効率よく施工することを目的とする。

本発明は、トンネルの周壁にロックボルトを施工するロックボルト施工装置であって、トンネルの周壁にロックボルトを施工する施工部と、基台に対して姿勢が変化自在であり施工部を支持する腕部と、腕部の姿勢を検出する姿勢検出部と、姿勢検出部により検出された腕部の姿勢に基づいて演算処理を行うコントローラと、を備え、施工部は、トンネルの周壁に孔を削孔する削孔ロッドをその軸方向にガイドする削孔ロッドガイド部材と、孔に充填材を注入する注入ロッドをその軸方向にガイドする注入ロッドガイド部材と、ロックボルトをその軸方向にガイドするロックボルトガイド部材と、を備え、コントローラは、トンネル内に設けられた複数の基準点に施工部を当てた状態で姿勢検出部により検出される腕部の姿勢に基づいて基台の位置を算出する基台位置算出部と、基台位置算出部により算出された基台の位置に基づいて、新たにロックボルトを施工する位置を算出する施工予定位置算出部と、施工予定位置算出部により算出された位置に基づいて、新たにロックボルトを施工する位置に施工部を誘導する誘導部と、を備え、複数の基準点は、トンネルの周壁にその周方向に間隔を空けて施工された第１ロックボルト、第２ロックボルト及び第３ロックボルトの突出端を含む。

また、本発明は、ロックボルト施工装置を用いてトンネルの周壁にロックボルトを施工するロックボルト施工方法であって、ロックボルト施工装置は、トンネルの周壁にロックボルトを施工する施工部と、基台に対して姿勢が変化自在であり施工部を支持する腕部と、を備え、施工部は、トンネルの周壁に孔を削孔する削孔ロッドをその軸方向にガイドする削孔ロッドガイド部材と、孔に充填材を注入する注入ロッドをその軸方向にガイドする注入ロッドガイド部材と、ロックボルトをその軸方向にガイドするロックボルトガイド部材と、を備え、ロックボルト施工方法は、トンネル内に設けられた複数の基準点に施工部を当てた状態で腕部の姿勢を検出し、検出された腕部の姿勢に基づいて基台の位置を算出する基台位置算出ステップと、前記基台位置算出ステップにより算出された前記基台の位置に基づいて、新たに前記ロックボルトを施工する位置を算出する施工予定位置算出ステップと、施工予定位置算出ステップにより算出された位置に基づいて、新たにロックボルトを施工する位置に施工部を誘導する誘導ステップと、を備え、複数の基準点は、トンネルの周壁にその周方向に間隔を空けて施工された第１ロックボルト、第２ロックボルト及び第３ロックボルトの突出端を含む。

本発明によれば、ロックボルトを効率よく施工することができる。

本発明の実施形態に係るロックボルト施工装置の側面図である。 施工部の拡大図である。 施工部を連結部材の回転軸に沿って見た図である。 本発明の実施形態に係るロックボルト施工装置のブロック図である。 基台位置算出処理を説明するための図である。 施工予定位置算出処理を説明するための図であり、トンネル軸線が水平且つ直線状に設計されている場合の図である。 施工予定位置算出処理を説明するための図であり、（ａ）は、トンネル軸線が水平面に対して傾斜するように設計されている場合の図であり、（ｂ）は、トンネル軸線が湾曲するように設計されている場合の図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るロックボルト施工装置１００及びロックボルト施工方法について説明する。

山岳トンネルの施工に主に用いられるＮＡＴＭ工法では、図１に示すように、トンネルＴの周壁Ｗを安定させるためにロックボルト１がトンネルＴの周壁Ｗに施工される。ロックボルト１を施工する際には、トンネルＴの周壁Ｗに孔２を削孔し、削孔された孔２に充填材３を注入すると共にロックボルト１を挿入する。充填材３は、例えばモルタルである。ロックボルト１は、孔２に充填材３を注入した後に挿入されてもよいし、孔２に充填材３を注入する前に挿入されてもよい。図１では、周壁Ｗに孔２を削孔している状態が示されている。

本実施形態に係るロックボルト施工装置１００は、孔２の削孔、充填材３の注入、ロックボルト１の挿入において用いられる。ロックボルト施工装置１００は、基台２０と、トンネルＴの周壁Ｗにロックボルト１を施工する施工部１０と、基台２０に対して姿勢が変化自在であり施工部１０を支持する腕部３０と、を備えている。

ロックボルト施工装置１００の基台２０には、不図示の運転席が設けられており、作業員は、運転席からロックボルト施工装置１００を操縦する。腕部３０の姿勢を変化させることにより施工部１０を移動させることができ、周壁Ｗの所望の位置にロックボルト１を施工することができる。また、基台２０は自走可能であり、ロックボルト施工装置１００を所望の位置に移動させることができる。

トンネルＴの周壁Ｗを過不足なく安定させるためには、設計されたトンネル軸線に沿って予め定められた所定の間隔を空けて複数のロックボルト１を施工することが有効である。このためには、施工済のロックボルト１からトンネル軸線に沿って所定の間隔離れた位置に施工部１０を誘導することが好ましい。

新たにロックボルト１を施工する位置に施工部１０を誘導する方法として、作業者の手作業により不図示のスケールをトンネル軸線に沿ってトンネルＴの周壁Ｗに当てて施工済のロックボルト１から所定の間隔離れた位置を特定し、特定された位置に施工部１０を誘導することが考えられる。しかしながら、手作業による位置の特定には時間がかかる。そのため、新たにロックボルト１を施工する位置に施工部１０を誘導するのに時間がかかり、効率よくロックボルト１を施工することができない。

ロックボルト施工装置１００及びロックボルト施工方法では、後述する構成により、施工済のロックボルト１に施工部１０を当てた状態で検出された腕部３０の姿勢に基づいて基台２０の位置を算出し、算出された基台２０の位置に基づいて、新たにロックボルト１を施工する位置を算出して施工部１０を誘導する。そのため、施工済のロックボルト１の位置及び新たにロックボルト１を施工する位置は、基台２０を基準とする相対座標系上で特定される。したがって、手作業による位置の特定なしに施工済のロックボルト１からトンネル軸線に沿って予め定められた所定の間隔離れた位置に施工部１０を誘導して新たにロックボルト１を施工することができ、効率よくロックボルト１を施工することができる。

以下、ロックボルト施工装置１００の構成及びロックボルト施工方法をより詳細に説明する。ここでは、ロックボルト１は、トンネルＴの周壁Ｗから突出しており、ロックボルト１の突出端がトンネルＴの周壁Ｗにおける設計位置に設けられているものとする。つまり、ロックボルト１の突出端の位置が分かっているものとする。また、以下において、トンネルＴの周壁Ｗにその周方向に間隔を空けて施工された複数のロックボルト１の３つを「第１ロックボルト１ａ」、「第２ロックボルト１ｂ」及び「第３ロックボルト１ｃ」とも称する。

腕部３０は、基台２０の前部にスイング自在に連結されたブーム３１と、ブーム３１に回転自在及びスイング自在に設けられたブラケット３２と、を備えている。施工部１０は、ブラケット３２に取り付けられている。

ブーム３１は、第１シリンダ３１ａの駆動により基台２０の左右方向にスイングし、第２シリンダ３１ｂの駆動により基台２０の上下方向にスイングする。また、ブーム３１は、伸縮自在に形成されており、第３シリンダ３１ｃの駆動により伸縮する。ブーム３１をスイングさせると共に伸縮させることにより、ブーム３１の先端に設けられたブラケット３２を移動させることができる。

ブラケット３２は、第１回転部３２ａ及び第２回転部３２ｂを介してブーム３１の先端に連結されている。第１回転部３２ａは、ブーム３１の伸縮方向に沿う軸周りに回転自在にブーム３１の先端に取付けられており、不図示のモータの駆動により回転する。第２回転部３２ｂは、第１回転部３２ａの回転軸と直交する軸周りに回転自在に第１回転部３２ａに取付けられており、不図示のモータの駆動により回転する。ブラケット３２は、第２回転部３２ｂの回転軸と直交する軸（図１において紙面と直交する軸）周りにスイング自在に第２回転部３２ｂに取付けられており、不図示のモータの駆動のよってスイングする。第１回転部３２ａ及び第２回転部３２ｂを回転させてブラケット３２を回転させると共にブラケット３２をスイングすることにより、ブラケット３２に取り付けられた施工部１０の向きを変えることができる。

施工部１０は、孔２を削孔する機能と、充填材３を注入する機能と、ロックボルト１を挿入する機能と、を持っており、トンネルＴの周壁Ｗにロックボルト１を施工する一連の作業を行う。具体的には、施工部１０は、図２及び図３に示すように、トンネルＴの周壁Ｗに孔２を削孔する削孔ロッド１１をその軸方向にガイドする削孔ロッドガイド部材１２と、孔２に充填材３を注入する注入ロッド１３をその軸方向にガイドする注入ロッドガイド部材１４と、ロックボルト１をその軸方向にガイドするロックボルトガイド部材１５と、を備えている。なお、図２では、注入ロッド１３、注入ロッドガイド部材１４、ロックボルト１及びロックボルトガイド部材１５の図示を省略している。

削孔ロッドガイド部材１２は、直線状に形成された削孔ガイドセル１２ａと、削孔ガイドセル１２ａの一端に設けられた削孔セントラライザ１２ｂと、削孔ガイドセル１２ａに移動自在に搭載された削孔ドリフタ１２ｃと、を備えている。削孔セントラライザ１２ｂには、削孔ガイドセル１２ａと略平行に延びる孔１２ｄが形成されており、孔１２ｄに削孔ロッド１１が挿通している。

削孔ドリフタ１２ｃは、不図示の駆動機構により削孔ガイドセル１２ａに沿って往復移動する。削孔ロッド１１の基端は、削孔セントラライザ１２ｂの孔１２ｄから削孔ガイドセル１２ａと略平行に仮想的に伸ばした仮想直線上で削孔ドリフタ１２ｃによって支持されている。つまり、削孔ロッド１１は、削孔セントラライザ１２ｂと削孔ドリフタ１２ｃとによって削孔ガイドセル１２ａと略平行に支持されている。削孔ドリフタ１２ｃが削孔ガイドセル１２ａに沿って往復移動すると、削孔ロッド１１がその軸方向に往復移動する。

このように、削孔ロッドガイド部材１２は、削孔ロッド１１をその軸方向にガイドする。削孔ロッド１１をトンネルＴの周壁Ｗに押付けた状態で削孔ロッド１１を回転させることにより、トンネルＴの周壁Ｗに孔２を削孔することができる。

注入ロッドガイド部材１４は、削孔ロッドガイド部材１２と同様に、注入ガイドセル１４ａと、注入セントラライザ１４ｂと、注入ロッド送出機構（図示省略）とを備えており、注入ロッド１３をその軸方向にガイドする。ロックボルトガイド部材１５は、挿入ガイドセル１５ａと、挿入セントラライザ１５ｂと、ロックボルト送出機構（図示省略）とを備えており、ロックボルト１をその軸方向にガイドする。

また、施工部１０は、削孔ガイドセル１２ａ、注入ガイドセル１４ａ及び挿入ガイドセル１５ａを互いに略平行に連結する連結部材１６と、連結部材１６を支持する支持部材１７と、を備えている。支持部材１７が腕部３０のブラケット３２に取り付けられており、ブラケット３２の回転及びスイングによって、削孔ガイドセル１２ａ、注入ガイドセル１４ａ及び挿入ガイドセル１５ａの向きが変化する。

支持部材１７には、削孔ガイドセル１２ａと略平行に延びる軸部１７ａが設けられており、連結部材１６は、軸部１７ａの周りにスイング自在である。連結部材１６と支持部材１７には第４シリンダ１８が連結されており、第４シリンダ１８の駆動により連結部材１６が支持部材１７に対してスイングする。

図３に示すように、削孔セントラライザ１２ｂの孔１２ｄ、注入セントラライザ１４ｂの孔１４ｄ及び挿入セントラライザ１５ｂの孔１５ｄの中心は、連結部材１６の回転軸を中心とする円Ｈ上に位置している。つまり、削孔ロッドガイド部材１２、注入ロッドガイド部材１４及びロックボルトガイド部材１５は、同一の円Ｈ上に削孔ロッド１１、注入ロッド１３及びロックボルト１を支持する。したがって、支持部材１７を保持した状態で連結部材１６を回転させることにより、削孔ロッド１１があった位置に注入ロッド１３及びロックボルト１を移動させることができる。これにより、削孔ロッド１１により削孔された孔２に注入ロッド１３及びロックボルト１を容易に位置合わせすることができる。

図２に示すように、支持部材１７には、軸部１７ａから連結部材１６の回転軸に沿って突出する突当て部１７ｂが設けられている。突当て部１７ｂをトンネルＴの周壁Ｗに突当てることにより、支持部材１７を容易に保持することができる。したがって、注入ロッド１３及びロックボルト１の位置合わせがより容易になる。

図４に示すように、ロックボルト施工装置１００は、腕部３０の姿勢を検出する姿勢検出部４０と、姿勢検出部４０により検出された腕部３０の姿勢に基づいて演算処理を行うことが可能なコントローラ５０と、を備えている。コントローラ５０は、姿勢検出部４０により検出された腕部３０の姿勢を記憶することも可能である。

姿勢検出部４０は、基台２０に対するブーム３１の左右方向のスイング角度を検出するブーム左右角度検出部４１と、基台２０に対するブーム３１の上下方向のスイング角度を検出するブーム上下角度検出部４２と、ブーム３１の伸縮量を検出するブーム伸縮量検出部４３と、ブーム３１に対する第１回転部３２ａの回転角度を検出する第１回転角度検出部４４と、第１回転部３２ａに対する第２回転部３２ｂの回転角度を検出する第２回転角度検出部４５と、第２回転部３２ｂに対するブラケット３２のスイング角度を検出するブラケットスイング角度検出部４６と、を備えている。

ブーム左右角度検出部４１は、例えば基台２０とブーム３１とに渡って設けられる角度センサである。ブーム左右角度検出部４１は、第１シリンダ３１ａの伸縮量を検出するストロークセンサであってもよい。ブーム上下角度検出部４２は、ブーム左右角度検出部４１と同様に、角度センサであってもよいし、ストロークセンサであってもよい。

ブーム伸縮量検出部４３は、例えばブーム３１に設けられるストロークセンサである。ブーム伸縮量検出部４３は、第３シリンダ３１ｃの伸縮量を検出するストロークセンサであってもよい。

第１回転角度検出部４４は、例えばブーム３１と第１回転部３２ａとに渡って設けられる角度センサであり、第２回転角度検出部４５は、例えば第１回転部３２ａと第２回転部３２ｂとに渡って設けられる角度センサである。ブラケットスイング角度検出部４６は、例えば、第２回転部３２ｂとブラケット３２とに渡って設けられる角度センサである。

コントローラ５０は、制御プログラム等を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＣＰＵにより実行される制御プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＣＰＵの演算結果等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、を備えるマイクロコンピュータである。コントローラ５０は、１つのマイクロコンピュータによって構成されていてもよいし、複数のマイクロコンピュータによって構成されていてもよい。

コントローラ５０は、姿勢検出部４０により検出される腕部３０の姿勢に基づいて基台２０の位置を算出する基台位置算出部５１と、基台位置算出部５１により算出された基台２０の位置に基づいて、新たにロックボルト１を施工する位置を算出する施工予定位置算出部５２と、施工予定位置算出部５２により算出された位置に施工部１０を誘導する誘導部５３と、を備えている。基台位置算出部５１、施工予定位置算出部５２及び誘導部５３は、マイクロコンピュータの機能を仮想的なユニットとしたものである。また、コントローラ５０は、姿勢検出部４０により検出される腕部３０の姿勢に基づいて、腕部３０の姿勢を記憶する。

基台位置算出部５１にて用いられる腕部３０の姿勢は、施工済のロックボルト１の突出端に施工部１０を当てた状態での腕部３０の姿勢である。ここでは、施工済のロックボルト１の突出端に、施工部１０における削孔ロッド１１の先端を当てる場合について説明するが、施工部１０における注入ロッド１３の先端又はロックボルト１の先端を施工済のロックボルト１の突出端に当ててもよい。また、削孔ロッドガイド部材１２、注入ロッドガイド部材１４又はロックボルトガイド部材１５を施工済のロックボルト１の突出端に当ててもよいし、連結部材１６又は支持部材１７を施工済のロックボルト１の突出端に当ててもよい。つまり、施工部１０のどこを当ててもよい。

まず、基台位置算出部５１により行われる基台位置算出処理について、図４及び図５を参照して詳述する。基台位置算出処理は、ロックボルト施工装置１００をトンネルＴ内に移動し、走行を停止した状態で行われる。好ましくは、ロックボルト施工装置１００の基台２０はトンネルＴの軸線に平行に配置される。

基台位置算出処理では、第１、第２及び第３ロックボルト１ａ，１ｂ，１ｃの突出端に施工部１０における削孔ロッド１１の先端を当てた状態で姿勢検出部４０により検出される検出値を用いる。そのため、基台位置算出処理を行う前に、第１、第２及び第３ロックボルト１ａ，１ｂ，１ｃの突出端に施工部１０における削孔ロッド１１の先端を当て、この状態で姿勢検出部４０により検出される検出値をコントローラ５０に記憶させる作業が行われる。

具体的には、まず、作業者の操縦により腕部３０の姿勢を変化させ、施工部１０における削孔ロッド１１の先端を施工済の第１ロックボルト１ａの突出端に当てる。コントローラ５０は、この状態で姿勢検出部４０により検出される検出値を第１姿勢として記憶する。次に、作業者の操縦により腕部３０の姿勢を変化させ、削孔ロッド１１の先端を施工済の第２ロックボルト１ｂの突出端に当てる。コントローラ５０は、この状態で姿勢検出部４０により検出される検出値を第２姿勢として記憶する。次に、作業者の操縦により腕部３０の姿勢を変化させ、削孔ロッド１１の先端を施工済の第３ロックボルト１ｃの突出端に当てる。コントローラ５０は、この状態で姿勢検出部４０により検出される検出値を第３姿勢として記憶する。

コントローラ５０は、第１姿勢、第２姿勢及び第３姿勢を記憶したところで、基台位置算出処理を行う。ここでは、基台２０の位置を、ブーム３１の左右方向のスイング中心軸上の点Ａの位置とする。

まず、記憶した第１姿勢を用いて、第１ロックボルト１ａの突出端と点Ａとの距離（以下、「第１距離Ｌ１」と称する）を算出する。施工部１０及び腕部３０の寸法は既知である。そのため、これらの既知の値と、記憶された第１姿勢（削孔ロッド１１の先端を施工済の第１ロックボルト１ａの突出端に当てた状態で姿勢検出部４０により検出される値）と、を用いることにより、第１距離Ｌ１を算出することができる。

次に、記憶した第２姿勢を用いて、第２ロックボルト１ｂの突出端と点Ａとの距離（以下、「第２距離Ｌ２」と称する）を算出する。第１距離Ｌ１の算出と同様に、施工部１０及び腕部３０の寸法と、記憶された第２姿勢と、を用いることにより、第２距離Ｌ２を算出することができる。

次に、記憶した第３姿勢を用いて、第３ロックボルト１ｃの突出端と点Ａとの距離（以下、「第３距離Ｌ３」と称する）を算出する。第１距離Ｌ１の算出と同様に、施工部１０及び腕部３０の寸法と、記憶された第３姿勢と、を用いることにより、第３距離Ｌ３を算出することができる。

次に、第１、第２及び第３ロックボルト１ａ，１ｂ，１ｂの突出端の位置と、算出された第１、第２及び第３距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３と、に基づいて、点Ａの位置を算出する。具体的には、第１ロックボルト１ａの突出端を中心とし第１距離Ｌ１を半径とした球と、第２ロックボルト１ｂの突出端を中心とし第２距離Ｌ２を半径とした球と、第３ロックボルト１ｃの突出端を中心とし第３距離Ｌ３を半径とした球と、の交点の位置を算出する。算出された交点の位置が、ブーム３１の左右方向のスイング中心軸上の点Ａの位置であり、基台２０の位置である。

次に、基台２０の向き（東西南北及び水平面に対する角度）を算出する。基台２０の向きは、算出された点Ａの位置と、第１ロックボルト１ａの突出端の位置と、記憶された第１姿勢と、を用いることにより算出可能である。第１ロックボルト１ａの突出端の位置及び記憶された第１姿勢に代えて、第２ロックボルト１ｂの突出端の位置と、記憶された第２姿勢と、を用いて基台２０の向きを算出してもよいし、第３ロックボルト１ｃの突出端の位置と、記憶された第３姿勢と、を用いて基台２０の向きを算出してもよい。

以上により、基台２０の位置及び向きが算出され、基台位置算出部５１による基台位置算出処理が終了する。算出された基台２０の位置及び向きを用いることにより、基台２０を基準とする相対座標系を設定することができ、当該相対座標系上での第１、第２及び第３ロックボルト１ａ，１ｂ，１ｂの突出端の座標を算出することができる。

次に、施工予定位置算出部５２による施工予定位置算出処理について、図４、図６及び図７を参照して説明する。施工予定位置算出処理は、ロックボルト施工装置１００の走行を停止した状態で行われる。なお、図６及び図７では、施工される予定のロックボルト１が鎖線で示されている。

施工予定位置算出処理では、第１、第２及び第３ロックボルト１ａ，１ｂ，１ｂの突出端を通る仮想面を算出し、算出された仮想面を予め定められたトンネル軸線に沿って所定の距離Ｌ、移動させ、移動後の仮想面とトンネルＴの周壁Ｗとの交線を算出し、算出された交線上の点を、新たにロックボルト１を施工する位置（施工予定位置）とする。

具体的には、図６に示すように、トンネル軸線が水平且つ直線状に設計されている場合には、算出された仮想面を切羽に向かって水平に所定の距離Ｌ、平行移動させる。移動後の仮想面とトンネルＴの周壁Ｗとの交線上の点を、施工予定位置とする。

図７（ａ）に示すように、トンネル軸線が水平に対して角度α、傾斜するように設計されている場合には、算出された仮想面を切羽に向かって、水平に対して角度α、傾斜した方向に所定の距離Ｌ、移動させる。移動後の仮想面とトンネルＴの周壁Ｗとの交線上の点を、施工予定位置とする。

図７（ｂ）に示すように、トンネル軸線が湾曲するように設計されている場合には、算出された仮想面を切羽に向かって、トンネル軸線上での移動距離が所定の距離Ｌと一致し且つ湾曲の外側の移動距離が湾曲の内側の移動距離よりも長くなるように移動させる。移動後の仮想面とトンネルＴの周壁Ｗとの交線上の点を、施工予定位置とする。

このように、施工予定位置算出処理では、算出された仮想面をトンネル軸線に沿って移動させ、移動後の仮想面とトンネルＴの周壁Ｗとの交線上の点を、施工予定位置とする。そのため、新たに施工されるロックボルト１の突出端を通る仮想面とトンネル軸線との間の角度は、施工済のロックボルト１の突出端を通る仮想面とトンネル軸線との間の角度と同等になる。したがって、ロックボルト１を適切な位置に施工することができ、トンネルＴの周壁Ｗを均等に安定させることができる。

なお、仮想面及び施工予定位置は、基台２０を基準とする相対座標系上で算出される。

以上により、施工予定位置が算出され、施工予定位置算出部５２による施工予定位置算出処理が終了する。

次に、誘導部５３による誘導処理について説明する。誘導処理は、ロックボルト施工装置１００の走行を停止した状態で行われる。誘導処理では、施工予定位置と、施工部１０における削孔ロッド１１の先端の位置と、の偏差がなくなるように施工部１０を誘導する。

具体的には、まず、姿勢検出部４０により検出された腕部３０の姿勢と、基台位置算出部５１により算出された基台２０の位置と、に基づいて、施工部１０における削孔ロッド１１の先端の位置を算出する。次に、算出された削孔ロッド１１の先端の位置と、施工予定位置算出処理にて算出された施工予定位置と、の差分を算出する。

算出された差分は、削孔ロッド１１の先端の位置と施工予定位置と共にモニタ６０に表示される。モニタ６０は、基台２０の運転席の近傍に設けられており、作業者は、モニタ６０を確認しながらロックボルト施工装置１００を操縦する。誘導処理により算出された差分が０（零）となるように腕部３０の姿勢を変化させることにより、施工予定位置に削孔ロッド１１の先端を移動させることができる。

以上により、施工部１０が施工予定位置に誘導され、誘導部５３による誘導処理が終了する。

このように、コントローラ５０は、トンネルＴ内に設けられた施工済のロックボルト１の突出端に施工部１０におけるロックボルト１の先端を当てた状態で姿勢検出部４０により検出される腕部３０の姿勢に基づいて、新たにロックボルト１を施工する位置に施工部１０を誘導する。

施工部１０の誘導は、作業員がモニタ６０を見ながらロックボルト施工装置１００を操縦する形態に限られない。例えば、コントローラ５０が、算出される差分に基づいて腕部３０の姿勢を制御し、施工部１０を自動的に施工予定位置に移動させる形態であってもよい。つまり、作業員の操縦なしで施工部１０を施工予定位置に誘導してもよい。

施工部１０の誘導後、作業者がロックボルト施工装置１００を操縦することにより、ロックボルト１を施工する。

具体的には、まず、図２に示すように、施工部１０の突当て部１７ｂをトンネルＴの周壁Ｗに突当て、支持部材１７を保持する。次に、削孔ロッド１１を周壁Ｗに押付けて回転させ、周壁Ｗに孔２を削孔する。削孔終了後、削孔ロッド１１を孔２から抜き出す。

なお、突当て部１７ｂを周壁Ｗに押付ける前に削孔ロッド１１を用いて孔２の削孔を開始し、孔２を削孔しながら施工部１０の突当て部１７ｂをトンネルＴの周壁Ｗに突当ててもよい。つまり、削孔ロッド１１を周壁Ｗに押付けるに前後して、突当て部１７ｂを周壁Ｗに押付け、支持部材１７を保持する。同じく前後して削孔ロッド１１を回転させ、孔２を削孔する。

次に、支持部材１７を保持した状態で連結部材１６を回転させ、削孔ロッド１１があった位置に注入ロッド１３（図３参照）を移動させる。これにより、注入ロッド１３の位置合わせが完了する。次に、注入ロッド１３を孔２に挿入し、注入ロッド１３から充填材３を孔２内に注入する。このとき、注入ロッド１３を孔２から引き抜きながら充填材３を孔２に注入することにより、孔２の全体に充填材３を行き渡らせることができる。注入終了後、注入ロッド１３を孔２から抜き出す。

次に、連結部材１６を回転させ、注入ロッド１３があった位置に施工部１０におけるロックボルト１（図３参照）を移動させる。これにより、ロックボルト１の位置合わせが完了する。次に、ロックボルト１を孔２に挿入する。

以上により、ロックボルト１の施工が完了する。別のロックボルト１を周壁Ｗに施工する際には、不図示のボルトマガジンからロックボルト１をロックボルトガイド部材１５（図１参照）に供給して支持すると共に、上記の工程を繰り返す。

ロックボルト１の施工は、作業員がロックボルト施工装置１００を操縦する形態に限られない。例えば、コントローラ５０が、施工部１０の動作を制御し、ロックボルト１を自動的にトンネルＴの周壁Ｗに施工する形態であってもよい。つまり、作業員の操縦なしで施工部１０を動作させて施工予定位置にロックボルト１を施工してもよい。

以上の実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

ロックボルト施工装置１００及びロックボルト施工方法では、施工済のロックボルト１の突出端に施工部１０を当てた状態で検出された腕部３０の姿勢に基づいて、基台２０の位置を算出し、算出された基台２０の位置に基づいて、新たにロックボルト１を施工する位置を算出し、算出された位置に施工部１０の先端を誘導する。そのため、施工済のロックボルト１の位置及び新たにロックボルト１を施工する位置は、基台２０を基準とする相対座標系上で特定される。したがって、手作業による位置の特定及び基台２０の絶対座標の測量なしに施工済のロックボルト１からトンネル軸線に沿って予め定められた所定の間隔離れた位置に新たにロックボルト１を施工することができ、効率よくロックボルト１を施工することができる。

また、施工部１０は、トンネルＴの周壁Ｗに孔２を削孔する削孔ロッド１１をその軸方向にガイドする削孔ロッドガイド部材１２と、孔２に充填材３を注入する注入ロッド１３をその軸方向にガイドする注入ロッドガイド部材１４と、ロックボルト１をその軸方向にガイドするロックボルトガイド部材１５と、を備える。そのため、孔２を削孔する作業、充填材３を注入する作業及びロックボルト１を挿入する作業を含むトンネルＴの周壁Ｗにロックボルト１を施工する一連の作業を施工部１０を用いて行うことができる。したがって、作業員の肉体的負担の大きい作業を削減することができると共に、肌落ちのおそれのある切羽近傍での作業員による作業及びトンネルＴ内の天面近傍（高所）での作業員による作業を削減することができる。これにより、作業員による労力を軽減することができると共に安全性を高めることができる。

また、施工済のロックボルト１等の既知点に施工部１０を当てた状態で腕部３０の姿勢を検出すれば、削孔ロッドガイド部材１２、注入ロッドガイド部材１４、ロックボルトガイド部材１５を新たにロックボルト１を施工する位置に誘導できるので、各ガイド部材１２，１４，１５の誘導に要する時間を短縮できる。例えば、孔２を削孔する機能と、充填材３を注入する機能と、ロックボルト１を挿入する機能と、がそれぞれの支持部材１７により支持されている場合と比較して、誘導に要する時間をおよそ１/３に短縮することができる。

また、ロックボルト施工装置１００及びロックボルト施工方法では、施工済の第１、第２及び第３ロックボルト１ａ，１ｂ，１ｃの突出端を通る仮想面を算出し、算出された仮想面を予め定められたトンネル軸線に沿って移動させることにより、新たにロックボルト１を施工する位置を算出する。そのため、新たに施工される複数のロックボルト１の位置は、施工済のロックボルト１を通る仮想面からトンネル軸線に所定の間隔離れた位置となる。したがって、ロックボルト１を適切な位置に施工することができ、トンネルＴの周壁Ｗを均等に安定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、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態では、ロックボルト１の突出端を、基台２０の位置を算出するための基準点として用いているが、ロックボルト１に対する相対位置が分かっている点（例えば、周壁Ｗに形成される窪み）を基準点として用いてもよい。

コントローラ５０は、施工部１０を施工予定位置に誘導するのに加えて、施工予定位置に応じた角度でロックボルト１を施工するように施工部１０の向きを誘導するように構成されていてもよい。具体的には、コントローラ５０は、施工予定位置がトンネルＴの天面近傍の位置である場合には、孔２を略鉛直に削孔すると共に注入ロッド１３及びロックボルト１を孔２に略鉛直に挿入するように施工部１０を略鉛直に向けるように誘導してもよい。同様に、コントローラ５０は、施工予定位置がトンネルＴの側面近傍の位置である場合には、孔２を略水平に削孔すると共に注入ロッド１３及びロックボルト１を孔２に略水平に挿入するように施工部１０を略水平に向けるように誘導してもよい。

施工部１０は、孔２を削孔する機能と、充填材３を注入する機能と、ロックボルト１を挿入する機能と、のいずれか１つのみを持つものであってもよい。つまり、施工部１０は、削孔ロッドガイド部材１２であってもよいし、注入ロッドガイド部材１４又はロックボルトガイド部材１５であってもよい。施工部１０は、削孔ロッドガイド部材１２、注入ロッドガイド部材１４及びロックボルトガイド部材１５のうちのいずれか２つのみを備える形態であってもよい。

ロックボルト施工装置１００は、３つの腕部３０を備えており、一の腕部３０に削孔ロッドガイド部材１２が支持されており、別の腕部３０に注入ロッドガイド部材１４が支持されており、更に別の腕部３０にロックボルトガイド部材１５が支持されていてもよい。

ロックボルト施工装置１００は、水平面に対する基台２０の傾斜角度を検出する傾斜計を備えていてもよい。この場合には、２つの基準点に削孔ロッド１１の先端を当てた状態で検出される腕部３０の姿勢と、傾斜計により検出される基台２０の傾斜角度と、を用いて基台２０の位置を算出することができる。したがって、基準点に削孔ロッド１１の先端に当てる作業を減らすことができ、より効率的に基台２０の位置を把握することができる。

本実施形態のように３つの基準点に削孔ロッド１１の先端を当てて基台２０の位置を算出する形態では、傾斜計等の検出器が不要になる。したがって、ロックボルト施工装置１００の部品数を削減することができる。

ロックボルト施工装置１００は、複数の腕部３０を備えていてもよい。この場合には、複数の腕部３０の各々に施工部１０が支持される。また、この場合には、基台２０の位置を算出する際に、複数のロックボルト１の突出端に施工部１０を同時に当ててもよい。

施工済の第１、第２及び第３ロックボルト１ａ，１ｂ，１ｃの突出端を通る仮想面をトンネル軸線に沿って移動させて施工予定位置を算出するのに代えて、施工済のロックボルト１の位置を、予め定められた所定の距離、トンネル軸線に沿って切羽に向かって移動させることにより施工予定位置を算出してもよい。

本実施形態では、施工済のロックボルト１に対する基台２０の相対位置を算出しているが、腕部３０の姿勢と施工部１０の位置との関係を予め把握している場合には、基台２０の位置及び施工予定位置を算出することなく、施工部１０を誘導してもよい。具体的には、コントローラ５０に、腕部３０の姿勢と施工部１０の位置との関係を示すテーブルを予め記憶させておき、施工済のロックボルト１に施工部１０を当てた状態での腕部３０の姿勢から当該テーブルを用いて施工部１０の位置を求め、求められた位置からトンネル軸線に沿って所定の間隔離れた位置へ施工部１０を移動させるための腕部３０の姿勢を当該テーブルから求め、施工部１０を誘導してもよい。

なお、一般的にロックボルト施工装置１００の移動に際して、基台２０はトンネルＴの軸線に略平行に配置される。コントローラ５０は、姿勢検出部４０により検出された腕部３０の姿勢を記憶する。ロックボルト施工装置１００は予め記憶されたテーブルに基づき、施工部１０を移動する。したがって、新たにロックボルト１を施工する位置に施工部１０を容易に誘導することができる。

本実施形態のように基台２０の位置及び施工予定位置を算出して施工部１０を誘導する場合には、腕部３０の姿勢と施工部１０の位置との関係を示すテーブルが不要である。したがって、当該関係を予め把握する必要がなく、容易に施工予定位置に施工部１０を誘導することができる。

腕部３０の姿勢と施工部１０の位置との関係を示すテーブルを予め記憶させておき、施工部１０をテーブルに基づいて誘導する場合には、基台２０の位置及び施工予定位置を算出することが不要である。

基台位置算出部５１は、基準点に削孔ロッド１１の先端を当てた状態で姿勢検出部４０により検出される腕部３０の姿勢に代えて、別の情報に基づいて基台２０の位置及び向きを算出してもよい。例えば、基準点の向き及び基準点までの距離を計測可能なカメラ（撮影手段）を用いて撮影された基準点の画像を解析して基台２０の位置を算出してもよい。つまり、基台位置算出部５１は、トンネルＴ内に設けられた基準点に基づいて基台２０の位置を算出するように形成されていればよい。

撮影された基準点の画像を解析して基台２０の位置を算出する場合には、基準点を撮影するためのカメラを基台２０に搭載することが好ましい。また、画像を精度よく解析するために、基準点に所定のターゲットを設置しターゲットを撮影してもよい。

１００・・・ロックボルト施工装置
１・・・ロックボルト
２・・・孔
３・・・充填材
１０・・・施工部
１１・・・削孔ロッド
１２・・・削孔ロッドガイド部材
１３・・・注入ロッド
１４・・・注入ロッドガイド部材
１５・・・ロックボルトガイド部材
２０・・・基台
３０・・・腕部
４０・・・姿勢検出部
５０・・・コントローラ
５１・・・基台位置算出部
５２・・・施工予定位置算出部
５３・・・誘導部
Ｔ・・・トンネル
Ｗ・・・周壁

Claims (6)

1. トンネルの周壁にロックボルトを施工するロックボルト施工装置であって、
   前記トンネルの周壁に前記ロックボルトを施工する施工部と、
   基台に対して姿勢が変化自在であり前記施工部を支持する腕部と、
   前記腕部の姿勢を検出する姿勢検出部と、
   前記姿勢検出部により検出された前記腕部の姿勢に基づいて演算処理を行うコントローラと、を備え、
   前記施工部は、
   前記トンネルの周壁に孔を削孔する削孔ロッドをその軸方向にガイドする削孔ロッドガイド部材と、
   前記孔に充填材を注入する注入ロッドをその軸方向にガイドする注入ロッドガイド部材と、
   前記ロックボルトをその軸方向にガイドするロックボルトガイド部材と、を備え、
   前記コントローラは、
   前記トンネル内に設けられた複数の基準点に前記施工部を当てた状態で前記姿勢検出部により検出される前記腕部の姿勢に基づいて前記基台の位置を算出する基台位置算出部と、
   前記基台位置算出部により算出された前記基台の位置に基づいて、新たに前記ロックボルトを施工する位置を算出する施工予定位置算出部と、
   前記施工予定位置算出部により算出された位置に基づいて、新たに前記ロックボルトを施工する位置に前記施工部を誘導する誘導部と、を備え、
   前記複数の基準点は、前記トンネルの周壁にその周方向に間隔を空けて施工された第１ロックボルト、第２ロックボルト及び第３ロックボルトの突出端を含む、
   ロックボルト施工装置。
2. 前記施工予定位置算出部は、前記トンネル内に設けられた前記第１ロックボルト、前記第２ロックボルト及び前記第３ロックボルトの突出端を通る仮想面を算出し、算出された前記仮想面を予め定められたトンネル軸線に沿って移動させることにより、新たに前記ロックボルトを施工する位置を算出する
   請求項１に記載のロックボルト施工装置。
3. ロックボルト施工装置を用いてトンネルの周壁にロックボルトを施工するロックボルト施工方法であって、
   前記ロックボルト施工装置は、
   前記トンネルの周壁に前記ロックボルトを施工する施工部と、
   基台に対して姿勢が変化自在であり前記施工部を支持する腕部と、を備え、
   前記施工部は、
   前記トンネルの周壁に孔を削孔する削孔ロッドをその軸方向にガイドする削孔ロッドガイド部材と、
   前記孔に充填材を注入する注入ロッドをその軸方向にガイドする注入ロッドガイド部材と、
   前記ロックボルトをその軸方向にガイドするロックボルトガイド部材と、を備え、
   前記ロックボルト施工方法は、
   前記トンネル内に設けられた複数の基準点に前記施工部を当てた状態で前記腕部の姿勢を検出し、検出された前記腕部の姿勢に基づいて前記基台の位置を算出する基台位置算出ステップと、
   前記基台位置算出ステップにより算出された前記基台の位置に基づいて、新たに前記ロックボルトを施工する位置を算出する施工予定位置算出ステップと、
   前記施工予定位置算出ステップにより算出された位置に基づいて、新たに前記ロックボルトを施工する位置に前記施工部を誘導する誘導ステップと、を備え、
   前記複数の基準点は、前記トンネルの周壁にその周方向に間隔を空けて施工された第１ロックボルト、第２ロックボルト及び第３ロックボルトの突出端を含む、
   ロックボルト施工方法。
4. 前記施工予定位置算出ステップでは、前記第１ロックボルト、前記第２ロックボルト及び前記第３ロックボルトの突出端を通る仮想面を算出し、算出された前記仮想面を予め定められたトンネル軸線に沿って移動させ、移動後の前記仮想面と前記トンネルの周壁との交線を算出し、算出された前記交線上の点を、新たに前記ロックボルトを施工する位置とする、
   請求項３に記載のロックボルト施工方法。
5. 前記トンネル軸線が水平に対して所定の角度、傾斜する場合、前記施工予定位置算出ステップでは、算出された前記仮想面を切羽に向かって、水平に対して前記所定の角度、傾斜した方向にさせる、
   請求項４に記載のロックボルト施工方法。
6. 前記トンネル軸線が湾曲する場合、前記施工予定位置算出ステップでは、算出された前記仮想面を切羽に向かって、湾曲の外側の移動距離が湾曲の内側の移動距離よりも長くなるように移動させる、
   請求項４に記載のロックボルト施工方法。

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