JP7344828B2 - トンネル補助工法支援システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）工法などによるトンネル施工中に周辺地山を安定化させるために行う補助工法を支援するシステム及び支援方法に関し、特に周辺地山に注入材を注入する工程を含む補助工法の支援システム及び支援方法に関する。

山岳トンネルの掘削施工においては、補助工法としてＡＧＦ（All Ground Fasten）工法、フォアポーリング工法、鏡ボルト工法などが実施されている。例えば、長尺鋼管や中空ボルトをトンネル周辺の地山へ打ち込んだ後、これら長尺鋼管や中空ボルトの内部空間を注入孔として、注入機の注入ポンプからウレタン系発泡樹脂やモルタルなどの注入材を前記注入孔に供給し、該注入孔から周辺地山に注入する。これによって、周辺地山が安定化される（特許文献１など参照）。

特開２０１７－００２７２０号公報

この種の補助工法における注入材の注入施工は、各注入孔への注入材の注入量（ｋｇ）などを指標にして管理している。注入量は、注入機の注入ポンプを制御するプログラマブルロジックコントローラ（以下、適宜「ＰＬＣ」と称す）によって取得されてモニタに数値表示される。しかし、数値を読み取るだけでは、注入状況を直観的に把握するのが難しい。そこで、ノートＰＣやタブレットＰＣなどの情報処理装置と前記ＰＬＣとを接続し、ＰＬＣが取得した注入量などの注入データを情報処理装置に取り込んで、該情報処理装置によって注入状況をグラフや図表にして表示する提案がなされている（特願２０１９－０３９８９９）。さらに、情報処理装置によって、前記注入データから日報などの作業帳票を作成する提案もなされている（特願２０１９－２０７３４３）。

しかし、情報処理装置で作成されたグラフ、図表、作業帳票などに示された注入量などのデータが、実際の注入ポンプによる実注入データやモニタの表示データと本当に整合しているかどうかの検証が求められることが有り得る。
本発明は、かかる事情に鑑み、トンネル補助工法における注入材の注入施工を支援するシステムにおいて、情報処理装置のデータの検証を容易化することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明システムは、施工中のトンネルの周辺地山に注入機の注入ポンプから注入材を注入するトンネル補助工法における支援システムであって、
前記注入機に搭載されて前記注入ポンプを制御するとともに、前記注入材の注入量を含む注入データを一次注入データとして取得する注入制御装置と、
前記注入制御装置と接続された情報処理装置と、を備え、前記情報処理装置が、
前記注入制御装置から前記一次注入データを受け取って二次注入データとして記憶する記憶部と、
前記注入ポンプの実注入データ又は前記一次注入データと、前記二次注入データとの整合確認のための整合確認帳票の出力指令を受け付ける受付部と、
前記受け付けに応じて、前記実注入データと前記一次注入データとの整合確認期間中の二次注入データを前記記憶部から読み出して整合確認帳票として出力する作成部と、を含むことを特徴とする。

前記受付部は、前記出力指令を、前記注入ポンプの実注入データと前記一次注入データとの整合確認を行った時間情報とともに受け付け、
前記作成部は、前記時間情報に対応する二次注入データを前記記憶部から読み出して整合確認帳票を作成することが好ましい。

本発明方法は、施工中のトンネルの周辺地山に注入機の注入ポンプから注入材を注入するトンネル補助工法における支援方法であって、
前記注入機に搭載された注入制御装置が、前記注入ポンプを制御するとともに、前記注入材の注入量を含む注入データを一次注入データとして取得する工程と、
前記注入制御装置と接続された情報処理装置が、前記注入制御装置から前記一次注入データを受け取って二次注入データとして記憶する工程と、
前記情報処理装置が、前記注入ポンプの実注入データ又は前記一次注入データと、前記二次注入データとの整合確認のための整合確認帳票の出力指令を受け付ける工程と、
前記情報処理装置が、前記受け付けに応じて、前記注入ポンプの実注入データと前記一次注入データとの整合確認期間中の二次注入データを前記記憶部から読み出して整合確認帳票として作成する工程と
を備えたことを特徴とする。

前記情報処理装置が、前記受付工程では、前記出力指令を、前記注入ポンプの実注入データと前記一次注入データとの整合確認を行った時間情報とともに受け付け、前記作成工程では、前記時間情報に対応する二次注入データを前記記憶部から読み出して整合確認帳票を作成することが好ましい。

本発明によれば、トンネル補助工法における注入材の注入施工の支援システムにおいて、情報処理装置側の二次注入データと、注入ポンプの実注入データ又は注入制御装置側の一次注入データとの整合性の検証を容易に行うことができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るトンネル補助工法支援システムと統合された注入機による注入工程の様子を示す山岳トンネルの断面図である。 図２は、前記トンネル補助工法支援システムのブロック図である。 図３は、前記トンネル補助工法支援システムにおける注入状況表示画面の一例を示す正面図である。 図４は、前記トンネル補助工法支援システムの情報処理装置によって出力される整合確認帳票の一例を示す正面図である。 図５は、前記注入機のキャリブレーション試験工程を示す解説図である。

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１及び図２に示すように、トンネル補助工法支援システム９は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）からなる注入制御装置１３と、ノートパソコン又はデスクトップパソコンなどのコンピュータからなる情報処理装置２０と、タブレット、スマートフォン、ノートパソコンなどの携帯可能かつ無線通信可能なコンピュータからなる遠隔情報処理装置３０とを備えている。

図１に示すように、トンネル補助工法支援システム９は、ＮＡＴＭ工法等によって施工中の山岳トンネル１における補助工法を支援するものである。
トンネル１の周辺の地山２には多数（図１では１つだけ図示）の先受け鋼管（又は中空ボルト）３が打ち込まれている。トンネル１内に注入機１０が設置されている。注入機１０は、複数（例えば６つ、図では一部だけ図示）の注入ポンプ１１と、操作盤１２と、前記ＰＬＣ１３（注入制御装置）を備えている。注入ポンプ１１から延びる注入ホース１４が、注入材を注入しようとする先受け鋼管３に接続されている。注入材４として例えばシリカレジンなどのウレタン系発泡樹脂が、注入ポンプ１１から送出され、注入ホース１４及び先受け鋼管３内を経て、周辺地山２に注入されて硬化する。これによって、地山２が安定化される。

先受け鋼管３の内部空間は、注入材４の注入孔３ａを構成する。施工管理上、１つのトンネル断面の複数（図１では１つだけ図示）の注入孔３ａには、互いを区別するために、例えばトンネル周方向の並び順の孔ナンバーが付けられている。通常、注入は、先ず奇数番の孔ナンバーの一定順に行われ、次に偶数番の孔ナンバーの一定順に行われる。
さらに、各注入孔３ａの長手方向に例えば３つ（複数）の注入領域が設定されている。

シリカレジン等の発泡樹脂からなる注入材４は、Ａ液原料及びＢ液原料を含む。
注入機１０には、一系統ごとにＡ液用とＢ液用の２つの注入ポンプ１１が用意されている。各系統の前記２つの注入ポンプ１１からの注入ホース１４が合流して、注入孔３ａ内に挿し入れられ、対応する注入領域まで延びている。

図２に示すように、操作盤１２には、注入ポンプ１１の運転開始つまみ１２ａ、運転停止つまみ１２ｂ、注入流速設定ボリューム１２ｃ、ポンプ選択ボタン１２ｄ、リセットボタン１２ｅ、トータルリセットボタン１２ｆ、モニタ１２ｇなどが設けられている。
ポンプ選択ボタン１２ｄによって、駆動する注入ポンプ１１を選択できる。

リセットボタン１２ｅは、注入孔３ａごとの積算注入量などのデータをリセットするものである。リセットボタン１２ｅの押下は、１つの注入孔３ａの注入完了の合図となる。
トータルリセットボタン１２ｆは、１のトンネル断面における注入作業が完了したときに押下される。トータルリセットボタン１２ｆの押下は、１のトンネル断面におけるトンネル補助工法が完了した合図となる。
モニタ１２ｇには、注入量、注入圧等が表示される。モニタ１２ｇが、前記つまみ１２ａ～１２ｆなどが表示されてタッチ操作可能なタッチパネルであってもよい。

図２に示すように、前記ＰＬＣ１３（注入制御装置）は、演算処理部１３ａと、入出力部１３ｂと、ＬＡＮ通信部１３ｃと、記憶部１３ｍを含む。演算処理部１３ａは、マイクロプロセッサやマイクロコントロールユニットによって構成されている。入出力部１３ｂには、操作盤１２及び注入圧センサ１５等の入力機器、並びにインバータ１８（ポンプ駆動回路）、チャート出力部１９等の出力機器が接続されている。チャート出力部１９は、注入機１０の運転中、常時作動し、チャート６０を印刷出力している。

ＰＬＣ１３は、運転開始つまみ１２ａ及び運転停止つまみ１２ｂ等による指令に基づいて、インバータ１８を介して注入ポンプ１１を運転制御しながら、注入材４の注入データを取得する。該ＰＬＣ１３によって取得される注入データを「一次注入データ」と称す。一次注入データは、注入孔３ａごとの注入材４の注入流速（ｋｇ／ｍｉｎ）、積算注入量（ｋｇ）ないしは最終的なトータル注入量（ｋｇ）、注入圧センサ１５による注入圧（ＭＰａ）、注入時刻などを含む。
積算注入量ないしはトータル注入量（ｋｇ）は、注入ポンプ１１の１回転あたりの吐出流量と回転回数の積によって算出しているが、これに限らず、注入ポンプ１１の単位時間あたりの吐出流量すなわち流速（ｋｇ／ｍｉｎ）の時間積分によって算出してもよく、流量計（図示せず）を設けてその流速測定値（ｋｇ／ｍｉｎ）を積算して算出してもよく、流量計による積算流量測定値（ｋｇ）を用いてもよい。
一次注入データは、記憶部１３ｍに記憶されるとともに情報処理装置２０に送信される。

図１に示すように、さらに注入機１０には、前記ノートＰＣ等からなる情報処理装置２０が搭載されている。
図２に示すように、情報処理装置２０は、ＣＰＵ２１、ディスプレイ２２、記憶部２３、通信部２４、キーボード、タッチパネル等の入力部２５を含む。情報処理装置２０とＰＬＣ１３とは、有線のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）１６によって相互にデータ通信可能に接続されている。

記憶部２３には、支援プログラム２３ｐと、支援データ２３ｄが格納されている。支援プログラム２３ｐは、例えばＣ＃等のプログラミング言語で記述されたコンピュータ実行可能なプログラムであり、ＰＬＣ１３の一次注入データを経時的に受け取って、二次注入データとして蓄積（記憶）する処理、蓄積した二次注入データから注入状況表示画面を作成する処理、蓄積した二次注入データから作業日報、整合確認帳票５０その他の各種帳票を作成する処理などを、情報処理装置２０に実行させる。
二次注入データは、注入孔３ａごとの注入材４の注入流速、積算注入量ないしは最終的なトータル注入量、注入圧、注入時刻などを含む。
支援データ２３ｄは、前記二次注入データの他、注入状況表示画面のフォーマットデータ、作業日報、整合確認帳票５０等の各種帳票のフォーマットデータを含む。

図３に例示するように、注入状況表示画面４０は、各トンネル断面の注入孔ごと、更に注入領域ごとの注入量や注入圧などの注入状況を図４１、表４２、棒グラフ４３、折れ線グラフ４４などにして表示したものである。好ましくは、図４１としては、トンネル断面を模した図中に注入孔ごとの注入状況をトータル注入量に応じて色分け表示したものが作成される。これによって、注入状況をリアルタイムで直観的に把握できる。

図４に例示するように、整合確認帳票５０は、注入ポンプ１１ごとのトータル注入量を表記した表５１、積算注入量の経時変化５２ａを表したチャート５２などを含む。整合確認帳票５０は、注入ポンプ１１の実注入データ又はＰＬＣ１３の一次注入データと、二次注入データとの整合性を確認するのに用いられる。

ＣＰＵ２１（処理部）は、整合確認帳票５０の出力指令を受け付ける受付部２１ａとしての機能、及び受け付けに応じて整合確認帳票５０を作成する作成部２１ｂとしての機能を有している。

図１及び図２に示すように、前記タブレット等からなる遠隔情報処理装置３０は、ＰＬＣ１３及び情報処理装置２０と無線ＬＡＮ接続されている。詳細な図示は省略するが、遠隔情報処理装置３０の記憶部には、情報処理装置２０と同様の支援プログラム及び支援データが格納されている。管理者や作業者などが遠隔情報処理装置３０を携帯することで、遠隔で注入状況表示画面、整合確認帳票などを閲覧できる。

整合確認帳票５０は、次のような場面で作成される。
図５に示すように、注入機１０の運転に先立ち、キャリブレーション（較正）試験を行う。
試験には、計量器７０と、空の容器７１を用意する。
容器７１を計量器７０に載せ、試験対象の注入ポンプ１１から延びる注入ホース１４の先端を容器７１に差し入れる。
そして、ポンプ選択ボタン１２ｄ（図２）によって、前記試験対象の注入ポンプ１１を選択したうえで、運転開始つまみ１２ａ（図２）を押下する。

これによって、試験対象の注入ポンプ１１が駆動されて、注入材４が容器７１内に吐出される。併行して、ＰＬＣ１３によって、所定時間（例えば０．１秒から０．数秒）間隔で注入流速（ｋｇ／ｍｉｎ）、ポンプ回転数（ｒｐｍ）等に基づく積算注入量（ｋｇ）、注入圧（ＭＰａ）等の注入データが取得される。これら注入データは、取得された時刻の情報と共に一次注入データとして記憶部１３ｍに記憶されるとともに、積算注入量（ｋｇ）等の所定のデータはモニタ１２ｇに表示される。同時に、一次注入データが、ＰＬＣ１３から情報処理装置２０へ送信される。
情報処理装置２０においては、前記一次注入データが受け取られて、二次注入データとして記憶部２３に記憶される。

容器７１に所定量の注入材４が充填されたとき、運転停止つまみ１２ｂを押下する。これによって、注入ポンプ１１が停止され、注入が終了する。
試験者Ａは、計量器７０によって容器７１内の注入材４の重さ（ｋｇ）を測定し、記録する。該測定値は、試験対象の注入ポンプ１１のトータル注入量（ｋｇ）の実注入データとなる。

図２に示すように、この時点のモニタ１２ｇには、注入終了時の積算注入量（トータル注入量）の表示１２ｈがなされている。
試験者Ａは、該表示１２ｈの積算注入量を記録するとともに、その積算注入量（一次注入データ）と計量器７０による実測値（実注入データ）との整合性を確認する。すなわち、一次注入データが実注入データと一致しているか否か、一致していない場合、一次注入データと実注入データとの差が許容範囲内であるか否かを確認する。これによって、ＰＬＣ１３による一次注入データの正確度を判定でき、誤差が大きいときは許容範囲に収まるようにキャリブレーション（較正）できる。

更に、常時作動中のチャート出力部１９によって、記憶部１３ｍの記憶情報に基づいてチャート６０が作成されて印刷される。チャート６０には、ＰＬＣ１３が算出した積算注入量の経時変化６１などが表示される。

その後、試験者Ａがリセットボタン１２ｅを押下すると、モニタ１２ｇの注入量表示がゼロにリセットされる。
ＰＬＣ１３においては、リセットボタン１２ｅの押下時点における積算注入量が、トータル注入量（ｋｇ）を表す一次注入データとして記憶部１３ｍに記憶されるとともに、情報処理装置２０に送信される。情報処理装置２０においては、受信された一次注入データが、トータル注入量を表す二次注入データとして記憶部２３に記憶される。

続いて、試験者Ａは、注入機１０の別の注入ポンプ１１を試験対象として選択して、同様の操作を行う。
容器７１を２つ用意して、同一系統（注入領域）のＡ液用注入ポンプとＢ液用注入ポンプを同時に試験してもよい。

試験者Ａは、すべての注入ポンプ１１のキャリブレーション試験が終了したときは、トータルリセットボタン１２ｆを押下する。
トータルリセットボタン１２ｆの押下情報は、その時刻情報とともにＰＬＣ１３から情報処理装置２０に送信され、情報処理装置２０の記憶部２３に記憶される。

その後、試験者Ａ等が情報処理装置２０の入力部２５を操作して、整合確認帳票５０の出力指令を出したものとする。出力指令には、前記キャリブレーション試験を行った時間（整合確認期間）の入力情報が含まれる。キャリブレーション試験期間であれば、該期間中の任意の時刻が指定されていればよい。

出力指令は、受付部２１ａとしてのＣＰＵ２１によって受け付けられる。
これに応じて、作成部２１ｂとしてのＣＰＵ２１が、前記任意の時刻（時間情報）が含まれる注入期間中の二次注入データを記憶部２３から読み出す。
前記注入期間は、トータルリセットボタン１２ｆの押下日時によって区切られる。
要するに、前記任意の時刻より前かつ直近のトータルリセットボタン１２ｆの押下日時から、前記任意の時刻より後かつ直近のトータルリセットボタン１２ｆの押下日時までの期間に取得された二次注入データを読み出す。これによって、キャリブレーション試験期間のデータと、実際の地山２への注入工程でのデータとを混同するのを防止できる。

更に作成部２１ｂとしてのＣＰＵ２１は、記憶部２３から整合確認帳票のフォーマットデータを読み出す。そして、前記読み出した二次注入データと整合確認帳票のフォーマットデータとによって整合確認帳票５０（図４）を作成し、ディスプレイ２２に表示（出力）する。プリンターで印刷してもよい。

これによって、試験者Ａは、整合確認帳票５０を確認することで、情報処理装置２０の二次注入データが、実注入データや一次注入データと整合しているかを検証できる。具体的には、整合確認帳票５０中の表５１に表記されたトータル注入量と、前記キャリブレーション試験時に記録しておいたトータル注入量の実測値やモニタ１２の表示値と整合しているかを確認する。また、整合確認帳票５０におけるチャート５２中の積算注入量の経時変化５２ａが、チャート出力部１９から出力させておいたチャート６０中の積算注入量の経時変化６１と整合しているかを確認する。
同様にして、遠隔情報処理装置３０の二次注入データについても、整合確認を行うことができる。

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲におい
て種々の改変をなすことができる。
例えば、操作盤１２などに、キャリブレーション試験と実際の注入工程とを識別するボタンが設けられていてもよい。整合確認帳票作成工程では、情報処理装置２０が、前記識別ボタンの入力情報に基づいて、整合確認帳票５０の作成に用いる二次注入データを読み出してもよい。
注入材２は、ウレタン系発泡樹脂に限らず、モルタル、セメントなどであってもよい。

本発明は、例えば山岳トンネルの施工に適用できる。

Ａ 試験者
１ トンネル
２ 周辺地山
３ 先受け鋼管又は中空ボルト
３ａ 注入孔
４ 注入材
９ トンネル補助工法支援システム
１０ 注入機
１１ 注入ポンプ
１２ 操作盤
１２ａ 運転開始つまみ
１２ｂ 運転停止つまみ
１２ｃ 注入流速設定ボリューム
１２ｄ ポンプ選択ボタン
１２ｅ リセットボタン
１２ｆ トータルリセットボタン
１２ｇ モニタ
１２ｈ 表示
１３ ＰＬＣ（注入制御装置）
１３ａ 演算処理部
１３ｂ 入出力部
１３ｃ ＬＡＮ通信部
１３ｍ 記憶部
１４ 注入ホース
１５ 注入圧センサ
１６ ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）
１８ インバータ（ポンプ駆動回路）
１９ チャート出力部
２０ 情報処理装置
２１ ＣＰＵ（処理部）
２１ａ 受付部
２１ｂ 作成部
２２ ディスプレイ
２３ 記憶部
２３ｐ 支援プログラム
２３ｄ 支援データ
２４ 通信部
２５ 入力部
３０ 遠隔情報処理装置
４０ 注入状況表示画面
４１ 図
４２ 表
４３ 注入量の棒グラフ
４４ 注入圧の折れ線グラフ
５０ 整合確認帳票
５１ トータル注入量の表
５２ 注入量の経時変化のチャート
６０ チャート

Claims (4)

1. 施工中のトンネルの周辺地山に注入機の注入ポンプから注入材を注入するトンネル補助工法における支援システムであって、
   前記注入機に搭載されて前記注入ポンプを制御するとともに、前記注入材の注入量を含む注入データを一次注入データとして取得する注入制御装置と、
   前記注入制御装置と接続された情報処理装置と、を備え、前記情報処理装置が、
   前記注入制御装置から前記一次注入データを受け取って二次注入データとして記憶する記憶部と、
   前記注入ポンプの実注入データ又は前記一次注入データと、前記二次注入データとの整合確認のための整合確認帳票の出力指令を受け付ける受付部と、
   前記受け付けに応じて、前記実注入データと前記一次注入データとの整合確認期間中の二次注入データを前記記憶部から読み出して整合確認帳票として出力する作成部と、を含むことを特徴とするトンネル補助工法支援システム。
2. 前記受付部は、前記出力指令を、前記注入ポンプの実注入データと前記一次注入データとの整合確認を行った時間情報とともに受け付け、
   前記作成部は、前記時間情報に対応する二次注入データを前記記憶部から読み出して整合確認帳票を作成することを特徴とする請求項１に記載のトンネル補助工法支援システム。
3. 施工中のトンネルの周辺地山に注入機の注入ポンプから注入材を注入するトンネル補助工法における支援方法であって、
   前記注入機に搭載された注入制御装置が、前記注入ポンプを制御するとともに、前記注入材の注入量を含む注入データを一次注入データとして取得する工程と、
   前記注入制御装置と接続された情報処理装置が、前記注入制御装置から前記一次注入データを受け取って二次注入データとして前記情報処理装置の記憶部に記憶する工程と、
   前記情報処理装置が、前記注入ポンプの実注入データ又は前記一次注入データと、前記二次注入データとの整合確認のための整合確認帳票の出力指令を受け付ける工程と、
   前記情報処理装置が、前記受け付けに応じて、前記注入ポンプの実注入データと前記一次注入データとの整合確認期間中の二次注入データを前記記憶部から読み出して整合確認帳票として作成する工程と
   を備えたことを特徴とするトンネル補助工法支援方法。
4. 前記情報処理装置が、前記受付工程では、前記出力指令を、前記注入ポンプの実注入データと前記一次注入データとの整合確認を行った時間情報とともに受け付け、前記作成工程では、前記時間情報に対応する二次注入データを前記記憶部から読み出して整合確認帳票を作成することを特徴とする請求項３に記載のトンネル補助工法支援方法。

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