JP7350143B2 - トンネル施工支援システム及び支援方法、並びにプログラム - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの施工を支援するシステム及び方法、並びにプログラムに関し、特にＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）工法などによる山岳トンネルの施工に適した支援システム等に関する。

この種のトンネル施工においては、その補助工法として、掘削した地山の周辺に長尺鋼管や中空ボルトなどの補強管を多数打ち込み、各補強管の内部を注入孔として、ウレタン系発泡樹脂やモルタル等の注入材を周辺の地山に注入することが行われている（特許文献１など参照）。これによって、周辺地山が改良される。注入材の硬化後、地山を掘削してトンネルを掘進する（特許文献１等参照）。

掘進に際して、掘削しようとする地山の良否状態を把握することは重要である。そこで、掘削に先立ち、油圧削岩機で切羽前方に穿孔ロッドを打ち込んで穿孔しながら、穿孔速度、穿孔エネルギ、穿孔反力などの穿孔データを取得することで、穿孔区間の地質を事前に予測する方法が知られている（特許文献２参照）。前記穿孔データはグラフ化されて表示される。

特開２０１７－００２７２０号公報 特開２００２－０１３３８１号公報

前記補助工法においては、注入材の注入量（ｋｇ）や注入圧（ＭＰａ）などを指標にして施工管理している。注入量によって所定量の注入がなされたか否かが判断される。注入圧の上昇の有無によって、注入箇所の周辺の地山が固まったか否かが推測できる。注入量や注入圧のデータは、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）から数値データとして取得できる。
しかし、数値を読み取るだけでは、地山の改良状況を直観的に把握するのは難しい。主な数値データとして、注入量と注入圧の２つのデータがあり、これらをどのように組み合わせればよいかとか、どちらを優先すべきかとかの判断は現場によって区々で、容易でない。
前掲特許文献２の事前予測方法は、穿孔速度、穿孔エネルギ、穿孔反力などの穿孔データをグラフにして表示するものであるが、グラフから地山の良否状態を読み取るには、ある程度の専門知識や経験を要する。
本発明は、かかる事情に鑑み、施工中のトンネルの周辺の地山に注入材を注入して、地山改良する補助工法において、地山の改良状況を直観的に把握できるようにすることを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係るシステムは、施工中のトンネルの周辺の地山に形成した複数の注入孔から前記地山に注入材を注入する注入工程時に取得部によって取得した各注入孔における注入量データ及び注入圧データを用いてトンネル施工を支援するシステムであって、
前記注入量データ及び注入圧データを、前記取得部から受け取って、所定の変換規則にしたがって、各注入孔及びその周辺部の改良度データに変換するデータ変換部と、
前記各注入孔及びその周辺部の改良度データを、図中の当該注入孔との対応部に視覚的に認識可能に表示した注入孔配置図を含む表示データを作成する表示データ作成部と、
を備えたことを特徴とする。
好ましくは、前記データ変換部は、前記注入量データ及び注入圧データを、前記取得部から受け取って、所定の変換規則にしたがって、各注入孔及びその周辺部が前記注入後の掘削時に安定しているかを示す改良度データに変換することによって、注入量及び注入圧の２つのデータから１つの改良度データを導き出し、前記表示データ作成部は、前記改良度データを、対応する注入孔を表した画像部分内に視覚的に認識可能に表示するとともに前記複数の注入孔と対応する複数の前記画像部分を実際の注入孔の並びにしたがって配置した注入孔配置図を含む表示データを作成する。

作業者は、出力表示された表示データ中の注入孔配置図を観ることで、地山の改良状態を直観的に把握できる。専門的な知識や経験は不要である。改良不足の可能性がある箇所があれば、掘削前に適切に対処できる。注入量と注入圧の２つのデータを組み合わせて得られた改良状態が表示されるから、２つのデータを突き合わせて検討する必要がない。
視覚的に認識可能な表示は、人の五感のうち専ら視覚によって認識できる色、模様などの表示を言い、文字、記号を除く。ただし、前記表示データが、視覚的に認識可能な表示以外の表示として、文字、記号を含んでいてもよい。 視覚的に認識可能な表示が、点滅などの時間的変化を伴うものであってもよい。

前記データ変換部が、注入量を大きさに応じて区分けした複数の注入量範囲と、注入圧を大きさに応じて区分けした複数の注入圧範囲とを組み合わせたマトリクスの各マスに改良度を定めた変換規則データを記憶した記憶部と、取得した前記注入量データ及び注入圧データが当てはまるマスの改良度を前記変換規則データから読み取る読取り部とを含むことが好ましい。
これによって、注入量と注入圧を組み合わせた改良度を明確に規定できる。

システムが変換規則設定部を更に備え、前記変換規則設定部が、
前記マトリクスを表示するマトリクス表示部と、
表示されたマトリクスの各マスに改良度の設定入力を受け付ける受付部と、
前記受け付けた改良度を前記記憶部の変換規則データに反映させる反映部と、
を含むことが好ましい。
これによって、ユーザーが独自に、又は施工現場に合わせて、注入量及び注入圧に基づく改良度を設定することができる。

前記複数の注入孔が、前記トンネルの幅方向に間隔を置いて並んで配置されており、かつ各注入孔が長手方向に複数の注入領域に区分けされており、前記取得部によって前記注入領域ごとに注入量データ及び注入圧データが取得されるようになっており、
前記データ変換部が、前記注入領域ごとに注入量データ及び注入圧データを改良度データに変換し、
前記表示データ作成部が、前記注入孔を表す複数の棒線を実際の注入孔の並びにしたがって配置した注入孔配置図を含む表示データを作成し、各棒線は、前記注入領域と対応する複数の棒線部分に区分けされ、各棒線部分が、対応する注入領域の改良度データに応じた色で表されることが好ましい。
これによって、注入孔の長手方向及び並び方向にわたる範囲の地山の改良状態をより細かく、わかりやすく表示できる。

本発明に係る方法は、施工中のトンネルの周辺の地山に形成した複数の注入孔から前記地山に注入材を注入する工程を含むトンネル施工を支援する方法であって、
各注入孔における注入量データ及び注入圧データを取得する工程と、
取得した前記注入量データ及び注入圧データを、所定の変換規則にしたがって、各注入孔及びその周辺部の改良度データに変換する工程と、
前記各注入孔及びその周辺部の改良度データを、図中の当該注入孔との対応部に視覚的に認識可能に表示した注入孔配置図を含む表示データを作成する工程と、
を備えたことを特徴とする。
これによって、表示データを画像表示した注入孔配置図を観ることで、地山の改良状況を直観的に把握できる。

前記注入量データ及び注入圧データの取得工程、改良度データへの変換工程、表示データの作成工程が連続して行われ、作成された表示データが画像表示部にリアルタイムで画像表示されることが好ましい。これによって、補助工法の施工中に地山の改良状況をリアルタイムで把握できる。

本発明に係るプログラムは、前記トンネル支援システムにおけるデータ変換部及び表示データ作成部を構成するコンピュータに、
各注入孔における注入量データ及び注入圧データを取得部から受け取る処理と、
受け取った前記注入量データ及び注入圧データを、所定の変換規則にしたがって、各注入孔及びその周辺部の改良度データに変換する処理と、
前記各注入孔及びその周辺部の改良度データを、図中の当該注入孔との対応部に視覚的に認識可能に表示した注入孔配置図を含む表示データを作成する表示データを作成する処理と、
を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、施工中のトンネルの周辺地山の改良状態を直観的に把握することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る構築施工中の山岳トンネルにおける地山改良のための補助工法を示す側面断面図である。 図２（ａ）は、切羽前方の地山に打ち込まれた先受け鋼管の配列を示す平面図である。図２（ｂ）は、前記先受け鋼管の配列を示す正面図である。 図３は、図１における注入機構の回路図である。 図４は、トンネル施工支援システムの構成図である。 図５は、前記トンネル施工支援システムのＰＬＣの構成を示すブロック図である。 図６は、前記トンネル施工支援システムのＰＣ端末の構成を示すブロック図である。 図７は、変換規則データの一例を模式的に示すデータ構造図である。 図８は、前記ＰＣ端末における表示データの表示画面の一例を示す図である。 図９は、前記トンネル施工支援システムにおける変換規則設定のフローチャートである。 図１０は、前記トンネル施工支援システムにおける注入工程時の処理動作を示すフローチャートである。

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に示すように、ＮＡＴＭ工法によって山岳トンネル１が施工されている。補助工法として例えば注入式フォアポーリング工法、ＡＧＦ（All Ground Fasten）工法、又は鏡ボルト工法が実施され、切羽１ｅの前方（図１において左側）の地山に注入材２が注入されている。注入材２としては、例えばシリカレジン等のウレタン系発泡樹脂が用いられている。注入材２は、Ａ液とＢ液を出発物質とする。これら２液が混合されて発泡しながら地山に注入されて硬化する。これによって、トンネル周辺の地山が改良される。

図１及び図２に示すように、切羽１ｅの前方（トンネル周辺）の地山には、長尺の先受け鋼管２０が多数打設されている。各先受け鋼管２０の内部空間が、注入孔２１を構成している。各先受け鋼管２０ひいては各注入孔２１は、トンネル軸に対して斜めかつ直線状に延びている。複数の先受け鋼管２０からなる複数の注入孔２１がトンネル１のアーチ部１ａの周方向（トンネルの幅方向）に間隔を置いて配置されている。施工管理上、注入孔２１には、前記トンネルの幅方向の配列順に孔番号（孔識別情報）が付されている。 各注入孔２１の延び方向に例えば３つ（複数）の注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が設定されている。

図１に示すように、注入工程用の注入機１０と注入材供給源１５がトラック５に搭載されて、トンネル１内に配置されている。注入機１０には、１又は複数の注入ポンプ１１と、操作盤１３と、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）３０が設けられている。注入材供給源１５が注入ポンプ１１の供給ポートに接続されている。注入ポンプ１１の吐出ポートに注入管１６が接続されている。注入管１６は、注入工程を実施する１の注入孔２１へ延びている。

操作盤１３によって、注入を実施する孔番号の指定、注入ポンプ１１の運転開始指令、停止指令、注入流速の設定、設計注入量の設定、注入圧の上限値設定などが行われる。これら指令及び設定の信号は、操作盤１３からＰＬＣ３０に入力される。操作盤１３の操作に応じて、ＰＬＣ３０によって注入ポンプ１１が制御される。

なお、図１では簡略化されているが、実際には図３に示すように、２液混合の注入方式における注入ポンプ１１及び注入材供給源１５は、それぞれＡ液用のものとＢ液用のものとが２台１組になっている。更に前記注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに１組（２台）の注入ポンプ１１が設けられている。注入領域が３つの場合、６台の注入ポンプが設けられている。１組（２台）の注入ポンプ１１からのＡ液用及びＢ液用の２本の注入管１６が、互いに合流して、注入孔２１の対応する注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３まで挿し入れられている。これによって、注入材２が注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに注入される。
各注入ポンプ１１の吐出側には、注入圧センサ１７が設けられている。
図３において、注入孔２１の口径は、軸長に対して誇張されている。

図４は、前記注入工程での注入データを利用してトンネル１の掘削施工を支援するトンネル施工支援システム３を示したものである。トンネル施工支援システム３は、前記ＰＬＣ３０及びパーソナルコンピュータ（ＰＣ）端末３１からなるコンピュータ群と、操作盤１３及び注入圧センサ１７からなる入力機器とを構成要素として備えている。
ＰＬＣ３０と入力機器１３，１７とによって、注入量データ及び注入圧データを含む注入データの取得部３ｃが構成されている。

詳しくは、図５に示すように、ＰＬＣ３０は、演算処理部３０ａと、入出力部３０ｂと、記憶部３０ｍを含む。演算処理部３０ａ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３０ｂには、操作盤１３及び注入圧センサ１７等の入力機器、注入ポンプ１１等の出力機器、並びにハブ３３が接続されている。

図５に示すように、記憶部３０ｍには、注入ポンプ１１の制御のためのプログラム３０ｑに加えて、トンネル施工支援のためのプログラム３０ｐが格納されている。
プログラム３０ｐは、注入データを取得する処理をＰＬＣ３０に実行させる。取得された注入データ３０ｄが記憶部３０のデータ格納領域に記憶される。

注入データ３０ｄとしては、注入材の注入量（ｋｇ）及び注入圧（ＭＰａ）の各データが含まれる。更に、注入データとして注入速度（単位時間当たりの流量（ｋｇ／ｍｉｎ））、注入停止回数等のデータが含まれていてもよい。
注入データは注入孔２１ごとに取得される。好ましくは、各注入孔２１の注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに、対応する注入ポンプ１１及び注入センサ１７等から注入量、注入圧などの注入データが取得される。

具体的に注入データは、例えば次のようにして取得されるようにプログラムされている。
注入量は、注入流速の時間積分によって算出される。注入流速が一定であるときは、注入流速と注入時間の積が注入量となる。一定の注入流速として、操作盤１３による設定流速が用いられている。
なお、注入管１６に流量計を設けて、注入流速を検知し、これをＰＬＣ３０において時間積分してもよい。
注入量は、注入ポンプ１１の回転数に係数を乗じることよって算出してもよい。注入ポンプ１１の１回転あたりの吐出流量と回転数とによって注入量を算出してもよい。
注入圧は、注入圧センサ１７によって検出され、ＰＬＣ３０に入力される。
注入停止回数は、操作盤１３からの停止指令信号がカウントされる。
注入停止回数を除く注入データ取得の時間間隔は、例えば０．００１秒から０．数秒オーダーであるが、これに限られるものではない。

図４に示すように、トンネル施工支援システム３のＰＣ端末３１は、注入機１０に据え付けられた据付ＰＣ端末３８や、作業者Ａが携行可能な携行ＰＣ端末３９によって構成されている。据付ＰＣ端末３８としては、ノートパソコンが用いられているが、これに限らず、デスクトップパソコンを用いてもよい。携行ＰＣ端末３９としては、タブレットが用いられているが、これに限らず、携行可能かつ無線通信機能付きであれば、ノートパソコン、スマートフォンなどを用いてもよい。

トンネル施工支援システム３のコンピュータ３０，３１（３８，３９）どうしが、ハブ３３を介した有線又は無線のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）によって相互にデータ通信可能に接続されている。ＰＬＣ３０と据付ＰＣ端末３８とはイーサネット（登録商標）規格のＬＡＮケーブル３５及びハブ３３を介して有線接続されている。通信方式にはシリアル通信が適用されているが、パラレル通信であってもよい。

ハブ３３には、無線アンテナ３４が接続されている。無線アンテナ３４は、注入機１０に取り付けられていてもよく、トラック５（図１）に取り付けられていてもよい。無線アンテナ３４を介して、携行ＰＣ端末３９が、ＰＬＣ３０及び据付ＰＣ端末３８と無線ＬＡＮ接続されている。トンネル１内における無線アンテナ３４と携行ＰＣ端末３９との無線通信可能距離は、好ましくは数十メートル～数百メートルである。

図６に示すように、ＰＣ端末３１（３８，３９）は、ＣＰＵ３１ａ、入出力部３１ｂ、ディスプレイ３１ｃ、記憶部３１ｍを含む。 記憶部３１ｍには、トンネル施工支援のためのプログラム３１ｐ及びデータ３１ｄが記憶されている。
プログラム３１ｐ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、注入データ受取プログラム３１ｑ、変換規則設定プログラム３１ｔ、改良度データ変換プログラム３１ｒ、表示データ作成プログラム３１ｓを含む。
データ３１ｄは、ＰＬＣ３０から受け取った注入データ３１ｅの他、変換規則データ３１ｈ、改良度データ３１ｆ、表示データ３１ｇを含む。

注入データ受取プログラム３１ｑは、ＰＬＣ３０から新たな注入データ３１ｅを随時受け取って記憶部３１ｍに記憶させる処理をＰＣ端末３１（３８，３９）に実行させる。
変換規則設定プログラム３１ｔは、変換規則を設定する処理をＰＣ端末３１（変換規則設定部）に実行させる。
改良度データ変換プログラム３１ｒは、受け取った注入データ３１ｅを変換規則にしたがって改良度データ３１ｆに変換する処理をＰＣ端末３１（データ変換部）に実行させる。
表示データ作成プログラム３１ｓは、注入データ３１ｅ及び改良度データ３１ｆを用いて、表示データ３１ｇを作成する処理をＰＣ端末３１（表示データ作成部）に実行させる。

変換規則データ３１ｈは、注入データ３１ｅ中の注入量データ及び注入圧データを改良度データ３１ｆに変換するための変換規則を定めたデータである。具体的には、図７に示すように、変換規則データ３１ｈは、注入量を大きさに応じて区分けした複数の注入量範囲と、注入圧を大きさに応じて区分けした複数の注入圧範囲とを組み合わせたマトリクス３６になっている。特定の注入量及び注入圧に対してマトリクス３６の１つのマス３６ａが対応している。
マトリクス３６の注入量範囲は、たとえば規定量を１００％とした百分率で区分されている。注入圧範囲は、注入開始の初期圧を基準にした上昇圧力範囲で区分けされている。

各マス３６ａに対応する改良度が設定されている。注入量及び注入圧が定まれば、マトリクス３６から改良度が定まる。
改良度は、例えば「不可」、「不十分」、「良好」、「優良」などの複数の段階に区分されている。好ましくは、改良度の各段階に色が振り当てられている。好ましくは、各マス３６ａには対応する改良度を示す色が設定されている。例えば改良度が低い（「不可」に近い）ほど、寒色系（青系統）の色が振り当てられ、改良度が高い（「優良」に近い）ほど、暖色系（赤系統）の色が振り当てられている。
改良度の段階数及び各段階に対応する色は適宜設定可能である。

更に、前記変換規則設定プログラム３１ｔは、マトリクス３６をＰＣ端末３１のディスプレイ３１ｃに表示させる処理、表示されたマトリクス３６の各マス３６ａへの改良度の設定入力を受け付ける処理、受け付けた改良度を記憶部３１ｍの変換規則データ３１ｈに反映させる処理などをＰＣ端末３１に実行させる。
マトリクス３６を表示する処理を実行時のＰＣ端末３１は、「マトリクス表示部」として機能する。
改良度の設定入力を受け付ける処理を実行時のＰＣ端末３１は、「受付部」として機能する。
変換規則データに反映させる処理を実行時のＰＣ端末３１は、「反映部」として機能する。

更に、前記改良度データ変換プログラム３１ｒは、マトリクス３６において、前記取得した注入量データ及び注入圧データが当てはまるマス３６ａを特定し、該マス３６ａに設定された改良度を読み取る処理をＰＣ端末３１（読取り部）に実行させる。読み取った改良度が、改良度データ３１ｆとして、対応する注入孔２１の孔番号情報などと共に記憶部３１ｍに記憶される。
改良度データ３１ｆは、注入データ３１ｅと同様に、注入孔２１ごとに取得される。好ましくは各注入孔２１の注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに取得される。

図８は、表示データ３１ｇをディスプレイ３１ｃ（画像表示部）に表示させた画像４０の一例を示したものである。表示データ３１ｇは、各注入孔２１の好ましくは注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとの注入データ３１ｅ及び改良度データ３１ｆをそれぞれ図表にして表すデータである。図表は、複数の注入孔２１の配置を示す注入孔配置図４１ａ～４１ｃ，４２ａ～４２ｃ，４３ａ～４３ｃを含む。これら注入孔配置図における各注入孔２１と対応する注入孔対応部４４，４５，４６（対応する注入孔を表した画像部分）には、当該注入孔２１の注入データ３１ｅ及び改良度データ３１ｆが視覚的に認識可能に表されている。好ましくは注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに、当該注入領域の注入データ３１ｅ及び改良度データ３１ｆが視覚的に認識可能に表されている。視覚的に認識可能な表示としては、色、模様などが挙げられ、好ましくは色である。

詳しくは、図８に示すように、表示画像４０には、注入圧表示エリア４１と、注入量表示エリア４２と、改良度表示エリア４３が設けられている。注入圧表示エリア４１には、孔番号が奇数の注入孔だけの注入圧データを表示した注入孔配置図４１ａと、孔番号が偶数の注入孔だけの注入圧データを表示した注入孔配置図４１ｂと、奇数及び偶数の注入孔の注入圧データを表示した注入孔配置図４１ｃが並んで配置されている。

注入量表示エリア４２には、孔番号が奇数の注入孔だけの注入量データを表示した注入孔配置図４２ａと、孔番号が偶数の注入孔だけの注入量データを表示した注入孔配置図４２ｂと、奇数及び偶数の注入孔の注入量データを表示した注入孔配置図４２ｃが並んで配置されている。
改良度表示エリア４３には、孔番号が奇数の注入孔だけの改良度データを表示した注入孔配置図４３ａと、孔番号が偶数の注入孔だけの改良度データを表示した注入孔配置図４３ｂと、奇数及び偶数の注入孔の改良度データを表示した注入孔配置図４３ｃが並んで配置されている。
これら注入孔配置図４１ａ～４１ｃ，４２ａ～４２ｃ，４３ａ～４３ｃの一部だけが選択的に表示可能であってもよい。

各注入孔配置図４１ａ～４１ｃ，４２ａ～４２ｃ，４３ａ～４３ｃには、注入孔を表す複数の棒線４４，４５，４６が実際の注入孔２１の並びにしたがって配置されている。したがって、注入孔配置図４１ａ～４１ｃ，４２ａ～４２ｃ，４３ａ～４３ｃは、注入孔２１の平面配置図に相当する。各棒線４４，４５，４６が、注入孔配置図４１ａ～４１ｃ，４２ａ～４２ｃ，４３ａ～４３ｃの図中における、注入孔２１及びその周辺部と対応する注入孔対応部を構成する。棒線４４，４５，４６は、それぞれ表示画像４０の上下に延び、かつ互いに左右に並べられているが、それぞれ左右に延び、かつ互いに上下に並べられていてもよい。各棒線４４，４５，４６は、注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とそれぞれ対応する複数の棒線部分（注入領域対応部分）４４ａ～４４ｃ，４５ａ～４５ｃ，４６ａ～４６ｃに区分けされている。各棒線部分４４ａ～４４ｃ，４５ａ～４５ｃ，４６ａ～４６ｃが、対応する注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の注入データ３１ｅ又は改良度データ３１ｆに応じた色で表されている。

詳しくは、注入圧表示エリア４１の注入孔配置図４１ａ～４１ｃの各棒線部分４４ａ，４４ｂ，４４ｃは、対応する注入孔２１における対応する注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の注入圧データに応じた色が付されている。下側の棒線部分４４ａは端末側の注入領域Ｒ１と対応する。中間の棒線部分４４ｂは中間の注入領域Ｒ２と対応する。上側の棒線部分４４ｃは、先頭の注入領域Ｒ３と対応する。注入圧が低いほどより寒色系（青系統）の色が付され、注入圧が高いほどより暖色系（赤系統）の色が付されているが、これとは逆に、注入圧が低いほどより暖色系の色が付され、注入圧が高いほどより寒色系の色が付されてもよい。好ましくは、注入圧が大きさに応じて複数の注入圧範囲に区分けされ、注入圧範囲ごとに所定の色が割り当てられている。

注入量表示エリア４２の注入孔配置図４２ａ～４２ｃの各棒線部分４５ａ，４５ｂ，４５ｃは、対応する注入孔２１における対応する注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の注入量データに応じた色が付されている。下側の棒線部分４５ａは端末側の注入領域Ｒ１と対応する。中間の棒線部分４５ｂは中間の注入領域Ｒ２と対応する。上側の棒線部分４５ｃは、先頭の注入領域Ｒ３と対応する。注入量が小さいほどより寒色系の色が付され、注入量が大きいほどより暖色系の色が付されているが、これとは逆に、注入量が小さいほどより暖色系の色が付され、注入量が大きいほどより寒色系の色が付されてもよい。好ましくは、注入量が大きさに応じて複数の注入量範囲に区分けされ、注入量範囲ごとに所定の色が割り当てられている。

改良度表示エリア４３の注入孔配置図４３ａ～４３ｃの各棒線部分４６ａ，４６ｂ，４６ｃは、対応する注入孔２１における対応する注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の改良度データ３１ｆに応じた色が付されている。改良度データ３１ｆに応じた色としては、マトリクス３６における当該改良度データ３１ｆの基となった注入圧及び注入量によって決まるマス３６ａに設定された色が適用されている。
下側の棒線部分４６ａは端末側の注入領域Ｒ１と対応する。中間の棒線部分４６ｂは中間の注入領域Ｒ２と対応する。上側の棒線部分４６ｃは、先頭の注入領域Ｒ３と対応する。
好ましくは、表示画像４０には、色と注入圧との関係、色と注入量との関係、色と改良度との関係を示す凡例４７が表示される。
表示画像４０は、注入作業の日報の形式で作成されていてもよい。

トンネル１は次のようにして施工される。
切羽１ｅの前方の地山を掘削して、トンネル１をあるスパンだけ掘進する（掘進工程）。
トンネル１の周壁には覆工（図示せず）を構築する（覆工構築工程）。
さらに、補助工法として、ドリルジャンボ（図示せず）によって先受け鋼管２０を地山に打設することで注入孔２１を形成する（先受け鋼管打設工程（注入孔形成工程））。
その後、前記ドリルジャンボを後退させ、入れ替わりにトラック５を切羽１ｅ側へ前進させる。
トラック５の注入機１０から延びる注入管１６を注入孔２１に差し入れる。続いて、注入ポンプ１１を駆動することによって、注入材２を注入孔２１から地山に注入する（注入工程）。
一般に、まず孔番号が奇数番の注入孔２１へ注入を行い、その後、偶数番の注入孔２１へ注入を行う。 各注入孔２１において、注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに対応する注入ポンプ１１によって注入を行う。好ましくは、１の注入孔２１の複数の注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に同時に注入を行う。注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに個別に注入を行ってもよい。
作業者は、注入を実施する注入孔２１の孔番号を操作盤１３に入力する。注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに個別に注入する場合には注入領域をも操作盤１３に入力する。
注入材２の硬化後、次のスパンの掘進工程を行う。以上の工程を反復する。

前記のトンネル施工の際、トンネル施工支援システム３は次のように動作され、又は使用される。
図９のフローチャートに示すように、予め、システム３の提供者又はユーザーは、変換規則データ３１ｈを設定しておく。詳しくは、ＰＣ端末３１（３８，３９）の変換規則設定プログラム３１ｔを起動させる（ステップ００１）。
ＰＣ端末３１（３８，３９）は、変換規則設定プログラム３１ｔの働きによって、マトリクス３６をディスプレイ３１ｃに画面表示させる（ステップ００２）。画面上でマトリクス３６の各マス３６ａの色すなわち改良度の設定入力を受け付ける（ステップ００３）。

システム３の提供者又はユーザーは、マトリクス３６で表された注入量範囲及び注入圧範囲の組み合わせごとに、対応する改良度を決めて、その改良度を示す色を設定入力する。
たとえば、図７に示すように、注入量範囲及び注入圧範囲の何れか一方が最小範囲のマス３６ａ_１は、すべて改良度を「不可段階」に設定する。たとえ注入量範囲及び注入圧範囲の他方が最大範囲であっても、「不可段階」とする。注入量が大きくても注入圧の上昇が見られなければ、地山のゆるみが残っていると考えられるからである。注入量が小さいのに注入圧が高いのであれば、機器トラブル、コーキング不良などが考えられるからである。
ＰＣ端末３１の画面上で、これら「不可段階」に該当するマス３６ａ_１の色として、「不可段階」を表す色（例えば青色）を設定入力する。

注入量範囲が最小範囲より大きく、かつ規定量（１００％）以下であり、注入圧範囲が最小範囲より大きく、かつ規定圧範囲（例えば初期圧＋２．２５ＭＰａ～２．５ＭＰａ）に達していないマス３６ａ_２は、改良度を「不十分段階」に設定する。十分な改良効果が得られていないと見込まれるからである。
また、注入量範囲が規定量（１００％）を超えていても、注入圧範囲が最低限の許容値（例えば初期圧＋０．５ＭＰａ）未満のマス３６ａ_３についても、改良度を「不十分段階」に設定する。ゆるみが未だ残っていると考えられるからである。
ＰＣ端末３１の画面上で、これら「不十分段階」に該当するマス３６ａ_２，３６ａ_３の色として、「不十分段階」を表す色（例えば水色）を設定入力する。

注入量範囲が規定量（１００％）を超え、注入圧範囲が最低限の許容値以上かつ規定圧未満（初期圧＋０．５０ＭＰａ～２．２５ＭＰａ）のマス３６ａ_４については、改良度を「良好段階」に設定する。注入量の増量による注入圧の上昇が見られることから、一定の改良効果が見込まれるからである。
ＰＣ端末３１の画面上で、これら「良好段階」に該当するマス３６ａ_４の色として、「良好段階」を表す色（例えば黄色）を設定入力する。

注入量範囲が少なくとも最小範囲（～２０％）を超え、注入圧範囲が規定圧範囲（初期圧＋２．２５ＭＰａ～２．５０ＭＰａ）のマス３６ａ_５については、改良度を「優良段階」に設定する。注入圧が規定圧にほぼ達していることから、十分な改良効果が見込まれるからである。
ＰＣ端末３１の画面上で、これら「優良段階」に該当するマス３６ａ_５の色として、「良好段階」を表す色（例えば黄色）を設定入力する。
これによって、マトリクス３６が、改良度を表す複数種の色で区分けされたマップになる。

なお、良好段階及び優良段階のマス３６ａ_４，３６ａ_５のうち、注入量範囲が規定量の例えば１２０％を超え、かつ注入圧範囲が例えば初期圧＋０．７５ＭＰａを超えているマス３６ａ_６については、注入施工上、該当する注入データが出現する確率が低いため、改良度を設定入力せずにブランクにしておいてもよい。
前記の改良度の設定入力例は、あくまでも例示であり、システム３のユーザーは自身の施工管理基準に応じて適宜設定入力可能である。たとえば、注入圧に依らず、注入量範囲の大小だけで改良度を設定入力してもよい。注入量に依らず、注入圧範囲の大小だけで改良度を設定入力してもよい。

ＰＣ端末３１は、変換規則設定プログラム３１ｔの働きによって、前記設定入力された改良度を記憶部３１ｍの変換規則データ３１ｈに反映させる（ステップ００４）。すなわち、マトリクス３６の各マス３６ａがブランクである場合は、設定入力された改良度データを書き込む。マトリクス３６の各マス３６ａに既に改良度が設定されている場合は、これを設定入力された改良度データに上書きする。
以上のようにして、変換規則データ３１ｈの設定を行ったうえで、実際の注入工程が実施される。

図１０のフローチャートに示すように、ＰＬＣ３０は、注入工程の期間中、注入実施中の孔番号、注入領域、注入ポンプ１１による注入量（ｋｇ）、及び注入圧センサ１７による注入圧（ＭＰａ）を含む注入データを取得する（ステップ１０１）。
ＰＬＣ３０は、取得した注入データを、随時、ＰＣ端末３１すなわち据付端末３８及び携行ＰＣ端末３９へそれぞれ送信する（ステップ１０２）。ＰＬＣ３０は新たな注入データを取得する度に送信してもよく、所定時間（１秒～１０秒）置きにまとめて送信してもよい。
各ＰＣ端末３１（３８，３９）は、注入データ受取プログラム３１ｑの働きによって、注入データをＰＬＣ３０から受信する（ステップ２０１）。その注入データを受信時刻などと共に記憶部３１ｍに蓄積する（ステップ２０２）。
１の注入孔２１の複数の注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に同時に注入することで、これら注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の注入データが同時に得られる。

なお、ＰＬＣ３０と据付ＰＣ端末３８とは有線ＬＡＮ接続であるから、通信エラーが発生しにくい。したがって、据付ＰＣ端末３８に蓄積された注入データのほうが、携行ＰＣ端末３９に蓄積された注入データより信頼性が高いと言える。そこで、据付ＰＣ端末３８の蓄積注入データは、定期的に携行ＰＣ端末３９へ送信され、携行ＰＣ端末３９の注入データが据付ＰＣ端末３８からのデータに更新（上書き）される。この場合、携行ＰＣ端末３９は、ＰＬＣ３０からの注入データを、据付ＰＣ端末３８を介して間接的に受け取ることになる。

ＰＣ端末３１（３８，３９）は、前記受け取った注入データ３１ｅを、改良度データ変換プログラム３１ｒの働きによって、変換規則データ３１ｈにしたがって改良度データ３１ｆに変換する（ステップ２０３）。詳しくは、ＰＣ端末３１のＣＰＵ３１ａは、マトリクス３６（変換規則データ）において注入データ３１ｅ中の注入量データ及び注入圧データが当てはまるマス３６ａを特定し、該マス３６ａに設定された改良度を読み取る。具体的には、マス３６ａに設定された色データ（改良度データ３１ｆ）を読み取る。これによって、注入孔２１の注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとの周辺地山の改良度データが得られる。

さらに、ＰＣ端末３１（３８，３９）は、表示データ作成プログラム３１ｓの働きによって、注入データ３１ｅ及び改良度データ３１ｆから表示データ３１ｇ（図８）を作成する（ステップ２０４）。詳しくは、ＰＣ端末３１のＣＰＵ３１ａが、注入データ３１ｅ中の注入圧データ、並びに注入孔２１の孔番号データ及び注入領域データを読み込む。そして、注入圧データから対応する色を特定し、注入孔２１の孔番号データから、注入圧表示エリア４１の注入孔配置図４１ａ～４１ｃにおける該当する棒線４４を特定し、更に注入領域データから該当する棒線部分４４ａ，４４ｂ，４４ｃを特定する。特定した棒線部分４４ａ，４４ｂ，４４ｃに、前記注入圧データと対応する色を付す。

また、ＣＰＵ３１ａは、前記注入データ３１ｅ中の注入量データを読み込み、対応する色を特定する。かつ注入孔２１の孔番号データ及び注入領域データから、注入量表示エリア４２の注入孔配置図４２ａ～４２ｃにおける該当する棒線４５及び棒線部分４５ａ，４５ｂ，４５ｃを特定し、特定した棒線部分４５ａ，４５ｂ，４５ｃに前記注入量データと対応する色を付す。

さらにＣＰＵ３１ａは、注入データ３１ｅ中の注入孔２１の孔番号データから改良度表示エリア４３の注入孔配置図４３ａ～４３ｃにおける該当する棒線４６を特定し、更に注入領域データから該当する棒線部分４６ａ，４６ｂ，４６ｃを特定し、特定した棒線部分４４ａに前記変換工程（ステップ２０３）で割り出したマス３６ａの色を付す。

このようにして作成された表示データ３１ｇが、ＰＣ端末３１のディスプレイ３１ｃに画像表示される（ステップ２０５）。
好ましくは、ＰＣ端末３１は、ＰＬＣ３０から新たな注入データ３１ｅを受け取るたびに、データ変換（ステップ２０３）及び表示データ作成（ステップ２０４）を連続的に行い、作成した表示データをリアルタイムでディスプレイ３１ｃに画像表示する（ステップ２０５）。すなわち、ディスプレイ画像をリアルタイムで更新する。
これによって、作業者は、ディスプレイ画像を観ることで注入状況をリアルタイムで把握できる。注入孔２１への注入量及び注入圧だけでなく、各注入孔及びその周辺部の改良度をも直観的に把握できる。したがって、注入量を増やすべきか、注入操作を終了してもよいかなどを容易に判断できる。

１の注入孔２１の注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに注入して、注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとの注入データを取得することで、当該１の注入孔２１に対応する棒線４４，４５，４６の各棒線部分４４ａ～４４ｃ，４５ａ～４５ｃ，４６ａ～４６ｃの色がリアルタイムで更新される。これによって、作業者は、注入領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとの注入圧、注入量、及び改良度をリアルタイムで直観的に把握できる。

さらに注入孔配置図４１ａ～４１ｃ，４２ａ～４２ｃ，４３ａ～４３ｃは、実際の注入孔２１の平面配置図に近似しているから、各注入孔配置図４１ａ～４１ｃ，４２ａ～４２ｃ，４３ａ～４３ｃの色分布を観察することで、全体的な注入状況を直観的に把握できる。特に、注入孔配置図４３ａ～４３ｃの色分布によって、周辺地山の改良状況を直観的に把握することができる。専門的な知識や経験は不要である。
このように、トンネル施工支援システム３によれば、トンネル周辺の地山の改良状況を可視化することができる。しかも、注入工程中にリアルタイムで地山の改良状況を監視することができる。これによって、トンネル１の掘進を適切かつ安全に行うことができる。掘削中の肌落ちなどの可能性があれば事前に対処することができる。

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、視覚的に認識可能な表示は、地山の改良度に応じた模様であってもよい。
表示データが、状態が不良な地山部分に対して注意を促す文字その他の表示を含んでいてもよい。
図７のマトリクス３６の各注入量範囲、各注入圧範囲、改良度の段階数などは例示であり、適宜設定可能であり、システム３のユーザーが設定変更できるようにしてもよい。
トンネル１の外部の例えばオフィスや詰所の外部コンピュータが、トンネル施工支援システム３のネットワークに組み込まれ、ＰＣ端末３１の１つとして機能していてもよい。前記外部コンピュータとＰＬＣ３０及び端末３８，３９との接続には、インターネットなどの公衆通信網５を用いてもよい。前記外部コンピュータとＰＬＣ３０及び端末３８，３９によって、仮想プライベートネットワーク（ＶＰＮ）が構築されるようにしてもよい。
表示データをプリンター（出力表示部）で紙出力してもよい。
トンネル施工支援システムのフロー（図９及び図１０）は適宜変更できる。
表示データをリアルタイムで表示するのに代えて、又はリアルタイム表示に加えて、注入工程終了後の表示要求を受けた段階で表示データが出力（画像表示、印刷など）されてもよい。
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。
注入材の注入対象及びシステム３による管理対象は、施工中のトンネルの周辺の地山であればよく、切羽前方の地山に限らず、トンネル上方、トンネル下方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。

１ 山岳トンネル
２ 注入材
３ トンネル施工支援システム
３ｃ 取得部
１０ 注入機
１１ 注入ポンプ
１７ 注入圧センサ
２０ 先受け鋼管
２１ 注入孔
Ｒ１ 端末の注入領域
Ｒ２ 中間の注入領域
Ｒ３ 先頭の注入領域
３０ プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）
３０ｄ 注入データ（注入量データ及び注入圧データ）
３０ｍ 記憶部
３０ｐ トンネル施工支援プログラム
３１ ＰＣ端末（コンピュータ、変換規則設定部、データ変換部、表示データ作成部、マトリクス表示部、受付部、反映部、読取り部）
３１ｃ ディスプレイ（画像表示部）
３１ｍ 記憶部
３１ｄ トンネル施工支援データ
３１ｅ 注入データ（注入量データ及び注入圧データ）
３１ｆ 改良度データ
３１ｇ 表示データ
３１ｈ 変換規則データ
３１ｐ トンネル施工支援プログラム
３１ｑ 注入データ受取プログラム
３１ｒ 改良度データ変換プログラム
３１ｓ 表示データ作成プログラム
３１ｔ 変換規則設定プログラム
３６ マトリクス
３６ａ マス
３８ 据付ＰＣ端末（コンピュータ）
３９ 携行ＰＣ端末（コンピュータ）
４０ 表示画像
４３ 改良度表示エリア
４３ａ～４３ｃ 注入孔配置図
４６ 棒線（注入孔との対応部）
４６ａ～４６ｃ 棒線部分
４７ 凡例４７

Claims (4)

1. 施工中のトンネルの周辺の地山に形成した複数の注入孔から前記地山に注入材を注入する注入工程時に取得部によって取得した各注入孔における注入量データ及び注入圧データを用いてトンネル施工を支援するシステムであって、
   前記注入量データ及び注入圧データを、前記取得部から受け取って、所定の変換規則にしたがって、各注入孔及びその周辺部が前記注入後の掘削時に安定しているかを示す改良度データに変換することによって、注入量及び注入圧の２つのデータの組み合わせから定まる１つの改良度データを導き出すデータ変換部と、
   前記改良度データを、対応する注入孔を表した画像部分内に視覚的に認識可能に表示するとともに前記複数の注入孔と対応する複数の前記画像部分を実際の注入孔の並びにしたがって配置した注入孔配置図を含む表示データを作成する表示データ作成部と、
   を備えたことを特徴とするトンネル施工支援システム。
2. 前記データ変換部が、注入量を大きさに応じて区分けした複数の注入量範囲と、注入圧を大きさに応じて区分けした複数の注入圧範囲とを組み合わせたマトリクスの各マスに改良度を定めた変換規則データを記憶した記憶部と、取得した前記注入量データ及び注入圧データの両方が共に当てはまる１つのマスの改良度を前記変換規則データから読み取る読取り部とを含むことを特徴とする請求項１に記載のトンネル施工支援システム。
3. 変換規則設定部を更に備え、前記変換規則設定部が、
   前記注入量範囲及び前記注入圧範囲のうち一方を区分けされた大きさ順に縦に並べ他方を区分けされた大きさ順に横に並べた前記マトリクスを表示するマトリクス表示部と、
   表示されたマトリクスの各マスに前記１つの改良度の設定入力を受け付ける受付部と、
   前記受け付けた改良度を前記記憶部の変換規則データに反映させる反映部と、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載のトンネル施工支援システム。
4. 前記複数の注入孔が、前記トンネルの幅方向に間隔を置いて並んで配置されており、かつ各注入孔が長手方向に複数の注入領域に区分けされており、前記取得部によって前記注入領域ごとに注入量データ及び注入圧データが取得されるようになっており、
   前記データ変換部が、前記注入領域ごとに注入量データ及び注入圧データを改良度データに変換し、
   前記表示データ作成部が、前記注入孔を表す複数の棒線を実際の注入孔の並びにしたがって配置した注入孔配置図を含む表示データを作成し、各棒線は、前記注入領域と対応する複数の棒線部分に区分けされ、各棒線部分が、対応する注入領域の改良度データに応じた色で表されることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のトンネル施工支援システム。

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