JP7326180B2

JP7326180B2 - コンクリートの吹付方法及びコンクリート吹付装置

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Publication number: JP7326180B2
Application number: JP2020018859A
Authority: JP
Inventors: 孝仁坂西; 洋尾畑; 成郎北原; 克己宮川; 仁手塚
Original assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2023-08-15
Anticipated expiration: 2040-02-06
Also published as: JP2021123963A

Description

本発明は、トンネル壁面などの吹付対象面へコンクリートを吹付ける方法とその装置に関する。

従来、トンネル内面に急結剤添加したコンクリートを吹付ける際に、予め、トンネルの内面の天端部、肩部、及び、側壁部の各吹付箇所に、試験的に急結剤添加したコンクリートを吹付けてデータを採って、適正なコンクリートの吐出量と急結剤の添加量とを決定した後、各吹付箇所に応じて、コンクリートの吐出量と急結剤の添加量とを増減させることで、効率的な吹付施工を行うことができるとともに、吹付られたコンクリートの厚さや強度のバラつきを低減できる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２－１３３９７号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、同文献にあるように、コンクリートの付着程度を作業員が確認しながらコンクリートの吐出量や急結剤の添加量を調整しながら施工する場合に比較すれば効率的ではあるものの、適正なコンクリートの吐出量と急結剤の添加量が決まるまで付着試験を行う必要があるため、施工の準備に時間がかかってしまう、といった問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、予め付着試験を行うことなく、吹付け対象面に吹付けるコンクリートの厚さのバラつきを低減することのできるコンクリートの吹付方法とその装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、吹付けられたコンクリートの厚さのバラつきは吹付対象面の温度が吹付箇所により異なるので、吹付箇所の温度に応じてコンクリートに混入される急結剤の添加量を増減させることにより、吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さのバラつきを大幅に低減できることを見出し、本発明に至ったものである。
すなわち、本発明は、吹付対象面にコンクリートを吹付ける方法であって、前記吹付対象面の３次元座標を取得するステップと、赤外線カメラを用いて前記吹付対象面の赤外線熱画像を撮影するステップと、前記赤外線熱画像と前記吹付対象面の３次元座標とを用いて、前記吹付対象面の各位置の座標に対応する温度を求めるステップと、前記吹付対象面にコンクリートを吹付けるステップと、を備え、前記コンクリートを吹付けるステップでは、前記吹付対象面の３次元座標に対応する温度に応じて、前記吹付対象面に吹付けるコンクリートに混合する急結剤の添加量を変化させることを特徴とする。
これにより、吹付けられたコンクリートの厚さの管理を効果的に行うことができる。また、予め付着試験を行うことなく、吹付け対象面に吹付けるコンクリートに混入される急結剤の添加量を調整できるので、吹付施工の効率を著しく向上させることができる。
また、本発明は、吹付対象面にコンクリートを吹付ける装置であって、前記吹付対象面を撮影する複数台のカメラと、前記複数台のカメラのうちの少なくとも２台のカメラでステレオ撮影された、前記吹付対象面の画像から、前記吹付対象面の各位置の３次元座標を算出する３次元座標算出手段と、前記吹付対象面の赤外線熱画像を撮影する赤外線カメラと、前記赤外線熱画像と前記吹付対象面の３次元座標とを用いて、前記吹付対象面の温度分布画像を作成する温度分布画像作成手段と、吹付ノズルを有し、前記吹付対象面にコンクリートを吹付ける吹付機と、前記コンクリートと前記コンクリートに混合する急結剤とを前記吹付ノズルに供給する吹付コンクリート供給手段と、を備え、前記吹付コンクリート供給手段は、前記吹付対象面の３次元座標に対応する温度に応じて、前記吹付ノズルに供給する吹付コンクリートに混合する急結剤の添加量を変化させることを特徴とする。
このような構成を採ることにより、吹付られたコンクリートの厚さや強度のバラつきを大幅に低減できるとともに、吹付施工を率よく行うことのできるコンクリートの吹付装置を得ることができる。
また、前記赤外線カメラと前記複数台のカメラとを前記吹付機に設置することで、撮影後に直ちに吹付作業を開始することができるようにしたので、効率よく吹付作業を行うことができる。

なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。この明細書において、コンクリートは、モルタルや吹付材料も含むものとする。

本実施の形態に係るコンクリートの吹付装置を示す機能ブロック図である。吹付機の一例を示す図である。トンネル内に配置された吹付機を示す図である。対象面の赤外線熱画像と温度分布画像を示す図である。コンクリート吹付方法を示すフローチャートである。吹付経路と急結剤の添加量の変化の一例を示す図である。

図１は、本実施の形態に係るコンクリートの吹付装置１を示す機能ブロック図で、同図において、２は吹付機、３はステレオカメラ、４は３次元座標算出手段、５は赤外線カメラ、６は急結剤添加量設定手段、７は吹付コンクリート供給手段、８は吹付機制御手段、Ｃ１，Ｃ２は監視カメラである。
図２は、吹付機２の一例を示す図で、吹付機２は、走行機構２１ａやアウトトリガー機構２１ｂを備えた吹付機本体（以下、本体２１という）と、先端側に吹付コンクリート供給手段７に接続された吹付ノズル２２が搭載された吹付ロボット２３と、バケット２４ｂを支持する一対のバケットブーム２４と、支保工を組立てるための一対のエレクタブーム２５とを備えたもので、本体２１には、吹付コンクリート供給手段７が搭載されている。
吹付機２の吹付ロボット２３が、吹付ノズル２２の位置と吹付コンクリートの吹付方向とを設定して、吹付対象面にコンクリートを吹き付ける。
吹付機２は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、トンネル１０のトンネル切羽１１のコンクリートの吹付けが完了していない区間Ｌ_kの後方（トンネル切羽１１とは反対側）に配置されて、トンネル側壁１２（側面１２ａと天端面１２ｂ）に吹付コンクリートを吹付ける。なお、図３（ｂ）の斜線部である符号１２Ａで示す部分が既にコンクリートの吹付けが完了した側壁で、符号１２Ｂで示す白抜きの部分が、これから吹付コンクリートを吹付ける側壁である。
吹付機２の制御は、後述する吹付機制御手段８により行う。
吹付機制御手段８は、トンネル１０内もしくは坑外などの吹付機２から離れた箇所に設置された遠隔操作室９内に配置される。
図３（ａ）に示すように、遠隔操作室９には、吹付機制御手段８の他に、３次元座標算出手段４、急結剤添加量設定手段６、監視カメラＣ１，Ｃ２の画像を表示するモニター９Ｍなどが配置される。

ステレオカメラ３は、吹付機２の本体２１の前方に取付けられた図示しない支持台に平行等位になるように支持された２台のカメラ（基準画像を撮影する右カメラ３Ｒと参照画像を撮影する左カメラ３Ｌ）とを備え、トンネル１０の吹付対象面であるトンネル側壁１２を含む被写体を撮影する。なお、被写体は、トンネル切羽１１、トンネル側壁１２、及び、トンネル底面１３である。トンネル側壁１２とは、側面１２ａと天端面１２ｂとを指す。以下、トンネル側壁１２を側壁１２とするなど、トンネル１０内の各箇所を記載する際に、「トンネル」を省略して記載する。
３次元座標算出手段４は、ステレオカメラ３でステレオ撮影された画像から、吹付対象面である側壁１２Ｂの各位置の３次元座標を算出する。具体的には、右カメラ３Ｒの画像の各位置点（ｘ_i，ｙ_i）のデータを、その位置における３次元座標座標（Ｘ_i，Ｙ_i，Ｚ_i）に置き換える。なお、本例では、図３（ａ）に示すように、トンネル幅方向を３次元座標座標のＸ方向、上下方向をＹ方向、トンネル掘削方向（前後方向）をＺ方向とした。
赤外線カメラ５は、吹付機２の本体２１の前方に設置されて、吹付対象面である側壁１２Ｂを含む撮影対象面の赤外線熱画像を撮影する。なお、本例では、赤外線熱画像を撮影した後、ステレオ画像の撮影を行うので、ステレオカメラ３の右カメラ３Ｒの位置を、赤外線熱画像を撮影したときの赤外線カメラ５の位置と同一になるように、ステレオカメラ３を移動させるようにしている。これにより、赤外線熱画像の各座標（ｘ_i，ｙ_i）の３次元座標と右カメラ３Ｒの画像の各位置点（ｘ_i，ｙ_i）の３次元座標座標）とは同じに座標（Ｘ_i，Ｙ_i，Ｚ_i）となる。
なお、ステレオカメラ３でステレオ撮影された画像から算出された、吹付対象面である側壁１２の各位置の３次元座標を、赤外線カメラ５の位置を原点とした３次元座標に変換してもよい。
また、側壁１２Ｂの温度分布は急激な変化がなく、温度分布の測定誤差は小さいので、ステレオカメラ３を赤外線カメラ５の近傍に設置し、右カメラ３Ｒで撮影した画像の３次元座標を、赤外線カメラ５で撮影した画像の３次元座標としても問題はない。

急結剤添加量設定手段６は、温度分布画像作成部６ａと、温度変化図作成部６ｂと、記憶部６ｃと、添加量変化図作成部６ｄとを備える。
図４に示すように、温度分布画像作成部６ａは、同図の左上に示す、赤外線カメラ５で撮影した赤外線熱画像Ｇ₁と、同図の左下に示す、３次元座標算出手段４で算出した吹付対象面の３次元データ画像Ｇ₂とを用いて、同図の右側に示す、吹付対象面の温度分布データ画像Ｇ₃を作成する。
赤外線熱画像Ｇ₁は、画像上の点（ｘ_i，ｙ_i）における温度Ｔ_iを色（ここでは、ドットの密度）で表している。なお、同図の符号６Ｂは、温度Ｔ_iと色との関係を示す温度バーである。
一方、温度分布データ画像Ｇ₃は、各座標（ｘ_i，ｙ_i）のデータが、赤外線熱画像Ｇ₁の各座標（ｘ_i，ｙ_i）における温度Ｔ_iデータと、３次元データ画像Ｇ₂の各座標（ｘ_i，ｙ_i）における３次元座標（Ｘ_i，Ｙ_i，Ｚ_i）のデータを併せたものである。したがって、温度分布データ画像Ｇ₃の、画像上の点（ｘ_i，ｙ_i）を指定すれば、その点における３次元座標座標（Ｘ_i，Ｙ_i，Ｚ_i）のデータと温度Ｔ_iのデータとが得られる。
逆に、これから吹付コンクリートを吹付ける側壁である側壁１２Ｂの座標（ｘ_i，ｙ_i）を指定すれば、座標（ｘ_i，ｙ_i）における３次元座標（Ｘ_i，Ｙ_i，Ｚ_i）と温度Ｔ_iとがわかる。すなわち、コンクリートの吹付位置の軌跡である吹付経路を指定すれば、吹付経路に沿って側壁１２Ｂの表面温度がどのように変化していくかが分かる。
なお、本例では、温度分布データ画像Ｇ₃を見やすくするため、温度分布を表示する箇所を、これからコンクリートを吹付ける側壁１２Ｂのみとした。また、既にコンクリートの吹付けが終了した側壁１２Ａを斜線で示し、切羽１１などの他の箇所は白抜きとした。
温度変化図作成部６ｂは、後述する、吹付ノズル２２の吹付経路に沿った側壁１２Ｂの表面温度の変化をプロットした温度変化図Ｇ_Tを作成する。
記憶部６ｃは、予め求めておいた表面温度と急結剤の添加量との関係を示す温度－添加量対応図６Ｇ（もしくは、表面温度と急結剤の添加量との対応表）を記憶する。
添加量変化図作成部６ｄは、記憶部に６ｃに記憶しておいた表面温度と急結剤の添加量との関係を示す図６Ｇを参照して、上記の温度変化図Ｇ_Tを、側壁１２Ｂの吹付経路上の位置に対応する急結剤の添加量をプロットした添加量変化図Ｇ_Aに変換する。

吹付コンクリート供給手段７は、吹付コンクリート供給部７ａと急結剤供給部７ｂとを備え、吹付コンクリートと添加剤である急結剤とを、別個に吹付ノズル２２に供給する。
吹付ノズル２２は、これら供給された吹付コンクリートと急結剤とをノズル内にて混合して、ノズル先端から、吹付対象面である側壁１２Ｂの表面に、急結剤が添加された吹付コンクリートを吹付ける。
本例では、吹付機制御手段８により吹付コンクリート供給手段７を制御して、急結剤添加量設定手段６の温度分布画像作成部６ａで作成された温度分布データ画像Ｇ₃を参照して、吹付ノズル２２に供給するコンクリートに混合する急結剤の添加量を、側壁１２Ｂの表面温度に応じて変化させるようにしている。
吹付機制御手段８は、吹付機制御部８ａと、吹付経路設定部８ｂと、急結剤添加量制御部８ｃとを備える。
吹付機制御部８ａは、上記のように、吹付ノズル２２や吹付ロボット２３の制御の他にも、走行機構２１ａの制御なども行う。
吹付経路設定部８ｂは、吹付コンクリートを吹付ける箇所の軌跡である吹付経路を設定する。
急結剤添加量制御部８ｃは、急結剤添加量設定手段６の添加量変化図作成部６ｄで作成された添加量変化図に基づいて、吹付ノズル２２に供給する吹付コンクリートに混合される急結剤の添加量を変化させるよう、吹付コンクリート供給手段７を制御する。
監視カメラＣ１，Ｃ２は、例えば、吹付機２のバケット２４ｂやエレクタブーム２５などに搭載されて、吹付作業の状況を撮影して、遠隔操作室９のモニター９Ｍに送信する。なお、モニター９Ｍの表示画面に、吹付作業の状況を映した画面に加えて、吹付コンクリートの吹付経路を映すようにしてもよい。

次に、本発明によるコンクリート吹付方法について、図５のフローチャートを参照して説明する。
まず、吹付機２を所定の位置まで走行させた後停止させ、赤外線カメラ５により、吹付対象面である側壁１２Ｂを含む撮影対象面の赤外線熱画像Ｇ₁を撮影する（ステップＳ１０）。
次に、ステレオカメラ３により、赤外線熱画像の撮影領域を含む撮影対象面、もしくは、赤外線熱画像Ｇ₁の撮影領域と同じ撮影領域のステレオ画像を撮影し（ステップＳ１１）、撮影されたステレオ画像を３次元座標算出手段４に送る。
そして、３次元座標算出手段４にて、ステレオカメラ３でステレオ撮影された画像から、吹付対象面である側壁１２Ｂの各位置の３次元座標を算出して、吹付対象面の３次元データ画像Ｇ₂を作成する（ステップＳ１２）。
ステップＳ１３では、図４に示すように、ステップＳ１１で撮影した赤外線熱画像Ｇ₁とステップＳ１２で作成した３次元データ画像Ｇ₂とを用いて、吹付対象面の温度分布データ画像Ｇ₃を作成する。
上記したように、赤外線熱画像Ｇ₁では、画像上の点（ｘ_i，ｙ_i）のデータが、温度Ｔ_iであり、３次元データ画像Ｇ₂では、点（ｘ_i，ｙ_i）のデータが、３次元座標（Ｘ_i，Ｙ_i，Ｚ_i）である。また、温度分布データ画像Ｇ₃では、点（ｘ_i，ｙ_i）のデータが、（Ｘ_i，Ｙ_i，Ｚ_i，Ｔ_i）、すなわち、温度Ｔ_iのデータと３次元座標（Ｘ_i，Ｙ_i，Ｚ_i）のデータを併せたものである。
次に、吹付位置の軌跡である吹付経路を指定する（ステップＳ１４）。
本例では、吹付経路を、図６（ａ），（ｂ）の太線で示すような、トンネル１０の進行方向に垂直な面（ＸＹ平面）で切った時の側壁１２Ｂの輪郭に沿った経路とした。吹付経路はｚ＝ｚ_k（ｋ＝１～ｍ）で表せる。すなわち、吹付経路は、図６（ｂ）に示すように、側面１２ａでは上下方向に平行な直線で、天端面１２ｂでは円弧状となる。
なお、ｚ方向の吹付幅Δを、Δ＜ｚ_k+1－ｚ_kとした。これは、ｚ＝ｚ_kとｚ＝ｚ_k+1との中間の領域では、コンクリートを重複して吹付けた方が均一性が高まるからである。
次に、軌跡上の側壁１２の表面温度の変化をプロットした温度変化図をｚ_k毎に作成する（ステップＳ１５）。
ステップＳ１６では、予め求めておいた表面温度と急結剤の添加量との関係を示す温度－添加量対応図６Ｇを参照して、ｚ_k毎の温度変化図Ｇ_T（ｋ）を、ｚ_k毎の添加量変化図Ｇ_A（ｋ）に変換する。
最後に、ｚ_kを変化させながらコンクリートの吹付を行う（ステップＳ１７）。
図６（ｃ）～（ｅ）に温度変化図Ｇ_T（ｋ）と添加量変化図Ｇ_Ａ（ｋ）の一例を示す。
ｋ＝１である図Ｇ_T（１）と図Ｇ_A（１）とが吹付機２側（手前側）で、ｋ＝ｍである図Ｇ_T（ｍ）と図Ｇ_A（ｍ）とが切羽１１側(奥側)である。また、各図の横軸は吹き付け経路に沿った吹付位置で、温度変化図Ｇ_T（ｋ）の縦軸は側壁１２Ｂの表面温度Ｔ（℃）、温度変化図Ｇ_A（ｋ）の縦軸は吹付コンクリートに混合される急結剤の添加量Ｐ（％）である。
急結剤の添加量Ｐ（％）としては、急結剤の種類にもよるが、強度や養生時間等を考慮すると、４～１２％とすることが好ましい。
吹付作業は、ｋ＝１から始めてｋ＝ｍで終了する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲から明らかである。

例えば、前記実施の形態では、ステレオカメラ３と赤外線カメラ５とを吹付機２に搭載したが、吹付機２を所定の位置まで移動させる前に、ステレオカメラ３と赤外線カメラ５とを用いて、ステレオ画像と赤外線熱画像を撮影してもよい。
また、前記実施の形態では、ステレオカメラ３でステレオ撮影された画像から、吹付対象面である側壁１２Ｂの３次元座標を算出したが、トンネル切羽１１の位置とトンネル１０の設計図面とから側壁１２Ｂの３次元座標を取得してもよい。
また、前記実施の形態では、吹付対象面をトンネル１０の側壁１２としたが、これに限るものでなく、本発明は、法面などの他の吹付対象面のコンクリート吹付にも適用可能であることはいうまでもない。

１コンクリート吹付装置、２吹付機、２１吹付機本体、２２吹付ノズル、
２３吹付ロボット、２４バケットブーム、２４ｂバケット、
２５エレクタブーム、３ステレオカメラ、３Ｒ右カメラ、３Ｌ左カメラ、
４３次元座標算出手段、５赤外線カメラ、
６急結剤添加量設定手段、６ａ温度分布画像作成部、６ｂ温度変化図作成部、
６ｃ記憶部、６ｄ添加量変化図作成部、
７吹付コンクリート供給手段、７ａ吹付コンクリート供給部、７ｂ急結剤供給部、８吹付機制御手段、８ａ吹付機制御部、８ｂ吹付経路設定部、
８ｃ急結剤添加量制御部、９遠隔操作室、９Ｍモニター、
１０トンネル、１１トンネル切羽、１２トンネル側壁、１２ａ側面、
１２ｂ天端面、１３トンネル底面、Ｃ１，Ｃ２監視カメラ。

Claims

吹付対象面にコンクリートを吹付ける方法であって、
前記吹付対象面の３次元座標を取得するステップと、
赤外線カメラを用いて前記吹付対象面の赤外線熱画像を撮影するステップと、
前記赤外線熱画像と前記吹付対象面の３次元座標とを用いて、前記吹付対象面の各位置の座標に対応する温度を求めるステップと、
前記吹付対象面にコンクリートを吹付けるステップと、を備え、
前記コンクリートを吹付けるステップでは、
前記吹付対象面の３次元座標に対応する温度に応じて、前記吹付対象面に吹付けるコンクリートに混合する急結剤の添加量を変化させることを特徴とするコンクリートの吹付方法。
吹付対象面にコンクリートを吹付ける装置であって、
前記吹付対象面を撮影する複数台のカメラと、前記複数台のカメラのうちの少なくとも２台のカメラでステレオ撮影された、前記吹付対象面の画像から、前記吹付対象面の各位置の３次元座標を算出する３次元座標算出手段と、
前記吹付対象面の赤外線熱画像を撮影する赤外線カメラと、
前記赤外線熱画像と前記吹付対象面の３次元座標とを用いて、前記吹付対象面の温度分布画像を作成する温度分布画像作成手段と、
吹付ノズルを有し、前記吹付対象面にコンクリートを吹付ける吹付機と、
前記コンクリートと前記コンクリートに混合する急結剤とを前記吹付ノズルに供給する吹付コンクリート供給手段と、を備え、
前記吹付コンクリート供給手段は、
前記吹付対象面の３次元座標に対応する温度に応じて、前記吹付ノズルに供給する吹付コンクリートに混合する急結剤の添加量を変化させることを特徴とするコンクリート吹付装置。
前記赤外線カメラと前記複数台のカメラとが、前記吹付機に設置されていることを特徴とする請求項２に記載のコンクリート吹付装置。