JPH04140607A - トンネルの切羽面へのレーザ光照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、トンネル掘削工事を行なう際に、坑内の切羽
にレーザ光を照射し、トンネルの断面などを描くことの
できるトンネルの切羽面へのレーザ光照射方法及び装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

トンネル掘削工事の際に、その切羽の掘削断面の中心線
を出すための従来方法としては、第２５図に示す切羽面
ｌの上に、前もって測量により求めた２点Ａ、Ｂを第２
６図及び第２７図に示す２本のレーザ光源２Ａ、２Ｂか
らのレーザ光ｌを照射して印示し、これを基に寸法割り
して中心点４を求め、下げ振りを中心点４に合わせてト
ンネル中心線３を求めていた。

また、トンネル掘削時の支保工の建込み線を求めるには
、上記のトンネル掘削時の切羽面１上のレーザ光！の照
射による２点Ａ、Ｂを基にし、建込み用ゲージ５を用い
て支保エフの根付は位置６を求めており、これを第２８
図に示している。

一方、トンネル掘削工事において、鋼製の支保工がない
断面パターンの掘削は、なんらかの手法でトンネル掘削
時の切羽面１に掘削線を表示する必要があり、その従来
方法を大別すると、ゲージ支保工による手法と、マーキ
ングによる手法がある。

そのゲージ支保工による方法は、掘削線に合致したバイ
ブまたは軽量Ｈ鋼等の鋼製ゲージを製作し、これを用い
て前記第２８図の支保エフの建込み位置を求めるのと同
じ方法で建込み掘削線を表示するものであり、−船釣に
掘削線が得られた後は、ゲージ支保工は取り外している
。

また、マーキングによる手法は、第２９図のトンネル中
心点１０、すなわち、ＳＬライン１２とトンネル中心線
３の交点を出し、所定の半径でひも８、またはローブ、
棒等を回転させながら掘削マーキング線１１を表示する
ものである。

しかしながら、上記の従来技術においては、その手法に
手間ひまを要し、作業時間が多くかかって能率が悪いと
共に、再確認したい時は、最初から同じ手順を繰り返す
必要があり、直ちには確認できないという問題がある。

また、マーキングによる掘削線の表示手法については、
掘削線の精度が悪く、余掘りが多くなり、吹付及び覆工
コンクリート量の喰込みが大きくなるので経済的でない
という問題があった。

さらに、カーブ施工においては、掘削切羽面上で、トン
ネル中心線の逃げ量を別途に考慮する必要があり、作業
が複雑になるという欠点があった。

一方、トンネル掘削における位置出しと、余掘り防止を
目的とし、掘削断面自動照射システムと称して、レーザ
光で切羽面に掘削線を照射する装置も開発されているが
、このシステムは、坑内の天井または側面に架台を組み
、その上にレーザ発光器を搭載した２軸旋回台を設けた
ものであり、その２軸旋回台を制御して切羽面に掘削線
をレーザ光で描くようにしたものである。

しかしながら、このシステムでは、レーザ発光器自体を
２軸旋回台で旋回制御するものであるため、その制御が
複雑であり、かつその旋回台は、レーザ発光器を支持し
なが′ら旋回するので、その重量もかさばり、システム
の移動も容易でないという問題があった。

一方、トンネル掘削時の切羽に発破をかける際には、ト
ンネル断面パターンや地山の岩質などを考慮して、発破
用の削孔位置、削孔個数、発破段数等の発破パターンを
作成し、これを基本として現場で作業員のイメージによ
る大体の位置に削孔し、発破を行なっている。

このため、計画発破パターンとは多少異なった現場状況
に見合った削孔ができる反面、余掘りゃ掘残しが発生し
、作業時間の増加や、吹付コンクリート等の喰込み量が
多くなるという問題があった。

また、発破パターンの各削孔位置を座標化し、コンピュ
ータ制御を用いている無人化ロボットジャンボと称する
装置も開発されている。

このロボットジャンボは、発破パターンをパーソナルコ
ンピュータで座標作成し、その座標に従って削孔機のビ
ット位置が自動的に順次移動しながら削孔するものであ
る。しかしながら、岩質の状態が著しく変化する地山に
対しては人間の感覚による手法が優れており、ロボット
は全ての地山に対応できるものではなく、また、実際に
作業を行う坑夫にとっても、そのロボットそのものが難
かしすぎて、人的にもかなりの負担が強いられるという
問題がある。

〔発明の解決しようとする課題〕

本発明は、前記従来の問題点を解決するためになされた
ものであり、トンネル掘削時の切羽面に掘削線などをレ
ーザ光により能率よく、しかも正確に描くことができ、
しかも比較的構造が単純で、簡便なトンネルの切羽面へ
のレーザ光照射方法及び装置を提供することを解決課題
としたものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するための手段として、本発明のトン
ネルの切羽面へのレーザ光照射装置は、トンネル坑内の
切羽面に向って設けられる三脚等の架台上に取付けられ
た測距、測角及び水準測量が可能なトータルステーショ
ン上に設けられたレーザ光照射器及びそのレーザ光照射
器からのレーザ光を反射する振り角制御自在な２個の反
射ミラーと、上記反射ミラーの振り角を制御するコント
ローラとから構成される装置であるが、上記のごとき測
距、測角、水準測量が可能なトータルステーション上に
レーザ光照射器を設けることにより、それらの測定値や
検出値によりコントローラを介して反射ミラーの振り角
を制御することで、より機能的なレーザ照射線が得られ
ることになる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の詳細な説明するが、第１図
は本発明のトンネル坑内の掘削断面にレーザ光を照射す
る装置の配置を示す概略平面図、第２図は第１図の側面
図、第３図は第１図の切羽面の正面図、第４図は第１図
のレーザ光照射器及び反射ミラーの構成側面図、第５図
は第４図のレーザ光照射器の平面図である。

まず、この装置は、第１図、第２図及び第３図に示すト
ンネル坑内の切羽面１に向って設けられる第４図の三脚
等の架台１３と、その架台１３上に取付けられた測距、
測角及び水準測量が一台で行なわれうるトータルステー
ション５０上に水平に設けられた第５図のレーザ光照射
器１４、そのレーザ光照射器１４からのレーザ光ｌを反
射する固定反射ミラー２８、その反射したレーザ光ｌを
反射するｙ軸旋回用の反射ミラー１５Ａ、その反射した
レーザ光ｌをさらに反射する２軸旋回用の反射ミラー１
５Ｂ、そして反射ミラー１５Ａ。

１５Ｂの振り角を制御するコントローラ１６とから構成
されているが、コントローラ１６は反射ミラー１５Ａ、
１５Ｂの振り角を適宜に制御して、切羽面１上に描く照
射線と、その描き方、すなわち、照射パターン、照射線
の移動、照射された像の大きさなどを決定する制御をす
るようになっており、図中で２６はアンプ、２７はスキ
ャナーを示している。

なお、上記コントローラ１６の１６Ａはトンネルマーカ
ー用のコントローラ（１）を、１６Ｂは発破マーカー用
のコントローラ（２）を、１６Ｃは測量処理器を、１６
Ｄはコネクターを、そして１６Ｅは管理表示部を示して
いる。

次に、このレーザ光照射装置によるトンネル切羽面１へ
のレーザ光照射手法につき説明すると、第１図から第３
図において、切羽面１から離れた座標（Ｘ　ｚｒ　３’
　ｚｒ　Ｚ　ｚ）の任意の点Ｂを、第６図に示すトータ
ルステーション５０の中心点Ｂ゛及びマーカーの中心点
Ｂの位置としてここからレーザ光ｉを発射するようにす
る。

そこで、座標位置が実測されている２つの点；　Ａｔ（
Ｘ＋＋３’＋＋　ｚｒ）＋　ＡｔＣＸＩ’＋ｙ＋’＋　
Ｚ＋’）の実測座標点にそれぞれ第４図のごとく三脚な
どの架台１３Ａに設けた反射ミラー１５Ａ１．１５Ａｚ
を設けている。

ここで、切羽面１上の座標（Ｘｚ＋３’ｓ＋Ｚ３）の点
Ｃはトンネル内の道路のセンターで、これは与えられる
設計点の座標であり、そして座標（Ｘ４＋）’４＋２４
）の点りはトンネルセンターの設計点であり、演算によ
り求められる座標である。

なお、この装置の投映パターンとしては第７図に示す分
割点が半径に対して４分割の５点、直径に対しては８分
割の９点、半円については１０度ピッチの１９点、そし
て半楕円についてはＲ，／Ｄ、の入力モードを使い、半
径／直径比の任意設定と、１０度ピッチの１９点とを決
定できるようになっている。

次に、第８−Ａ図の平面図における点Ａ、及びＡ２それ
ぞれの各反射ミラー１５Ａ１．１５Ａ！とマーカーの中
心点Ｂ　（Ｘ　！＋　ｙｚ＋　Ｚ　ｚ）との測距！。。

１、と、これらＡｔ、Ａｔ点とがなす角θ１の測角及び
第８−Ｂ図の側面図の点Ｂと点Ａ、、Ａ、とのｈで示す
測高、即ち水準測量が全て１台のトータルステーション
５０で行ないうるようになっている。

なお、ここでマーカーの座標も点Ｂの座標（Ｘｚ＋ｙｚ
＋Ｚｚ）と同じく８桁の桁数に統一するものとする。

以上のごとく実測されている２個の反射ミラ１５Ａ＋、
１５Ａｚが設置されている２点Ａ＋、Ａｚをトータルス
テーション５０で規準して、各距離２゜、１．角度θ、
及び高低差のｈの水準を測量することにより、点Ｂと２
点Ａ、、Ａ、間を水平距離に換算して点Ｂの座標が得ら
れる。

次に、切羽面１の道路センターの点Ｃが与えられており
、一方、第９図にて、このトンネルのトンネル進行方位
角θ７は与えられており、点Ｃから点りまでの距離１ｔ
ｃＫｌも与えられているので、点Ｃから点りを見た方位
角θｅ０は、θｃ。

＝θ”２で得られる。

ここで、点りの座標（Ｘｎ＋ｙｉ、Ｚｎ）と点Ｃの座標
（Ｘｓ＋３’ｓ＋Ｚｓ）とは、 となる。

そして、第１０図において、点Ｂの点Ａ２に対するＡｔ
ｈ及び点りに対するＤｂのそれぞれ同水平位置の各点に
対する投映角θ２及び点りと同水平位置にある点り、に
対する点Ｂの投映角θ８、そして点Ｂから点りまでの投
映距離１０について説明すると、投映角θ２は、第１１
図に示す各距離１＋、Ｉｌｚ、ｌｓがそれぞれ、 ７！−一 （ｘ　ｚ　　ｘ　＋’）”＋（ｙ　ｚ　　ｙ　＋’）”
２Ｐ＝２ ＋１ｚ＋ｉｘ とおくことで、 で得られるが、 ここでθ２ の表示は度。

分。

秒 とする。

そして、 投映角θ。

は、 第１２図及び第１３図に 示すｚｚ 及びｚｔｏから、 ・ｚ＋’−ｈ ｚｚ＝ｚｚ’＋Ｈ＝ｚ＋’−ｈ＋Ｈ で得られる。

なお、第１２図で各レベル差の符号を基準点に対して上
を（＋）、下を（−）で示しており、また、第１３図の
点Ｂは、第１４図に示すレーザ光照射器１４が位置する
トンネルマーカーレーザ発進点であり、このレーザ光照
射器工４をその上部に設けたトータルステーション５０
は２点の間のレベル差りを測高するだけである。

さらに、投映距離１０は、 で得られる。

次に、トンネルセンターの点りを中心に円弧を切羽面１
に描く投映半径Ｒｔと点Ｂから切羽面１に投映するスキ
ャンニング角度θ、を第１５図で説明しており、これら
Ｒ１とθ、とは、θ、・ｔａｎ−’（”　　）で表わさ
れる。

次に、第１６図及び第１７図により平行移動について説
明するが、 Δ！。：ｘｙ平面上の移動距離、 Δθ□：ｘｙ平面上の移動角、 Δ１８　：Ｚ軸方向の移動距離、 Δθ８．＝ｚ軸方向の移動角、 であり、下記（ｉ）及び（ｉｉ　）の２方式の平行移動
とする。

（１）Ｄ点投映の時に、トータルステーション５０でみ
たＤ点とマーカーから出したＤ点（図中、Ｄ゛で示す）
が合致しない場合、レーザー点を手動で平行移動させ合
致するようにしなければならない。

合致したＤ点を（１１）の平行移動の原点とする。

（ｉｉ）原点より故意にある距離だけ平行移動をする場
合である。

また、原点決めの平行移動につき第１８図により説明す
ると、 ｚｌ’＝ｚ、’−ｈ ｚ、　＝ｚ、’＋Ｈ＝ｚ、’−ｈ＋Ｈ マーカーのＤ点は、 トータルステーション５ｏのＤ点は、 双方のＤ点は理論的には一致しなければならないが、マ
ーカーとトータルステーション５ｏのセント時のわずか
な誤差より相違することが考えられるため、手動の平行
移動で合致させる必要がある。

また、投映像の平行移動は、 ΔＬｙ　＝Ｌｎ　・ｔａｎ　Δθ。

（Ｘ４−Ｘｉ）　”＋　（Ｖａ−Ｖｚ）　２＋　（Ｘ４
−Ｘｚ）　”　ｔａｎΔθＸ。

Δ２□ １゜・ｔａｎΔθ。

（ｘｎ−ｘｚ）　２＋　Ｃｙａ−ｙｚ）　”＋　（Ｘ４
−Ｘｌ）　”ｔａｎΔθ８ る投映像としては、点、半径、直径、半円、半楕円であ
る。

なお、第１９図の平行移動パターンにおける平行移動範
囲はｙ軸で＋ｈであり、Ｚ軸で十りであり、平行移動レ
ンジ（ΔｌｘｙとΔ１２の２ケ）を作動さす毎に平行移
動距離がデジタル表示される。

次に、このレーザ光照射装置の施工管理部で選定するも
のとしては、点、半径、直径、半円。

半楕円からなる投映パターンであり、入力するものは、
　（ＸＩ＋３’ｌ＋ＺＩＬ　　（Ｘ＋’＋）’＋’＋Ｚ
＋’）＋（Ｘ　３＋　）’　３＋　Ｚ　３）　＋　　θ
ｎ＋　　Ｉ！、ｃｎ＋　ＲＬ　＋　そして半楕また、表
示するものは、　（Ｘ　Ｚ＋　）’　Ｚ＋　２２）＋（
Ｘ　４．Ｖ　４＋　Ｚ　４）＋　　θＺ＋　　ＺＩＩ１
１＋　　θＩｌ’ｌ　　Ａ１．Ｘｙ＋ΔＩ！、□であり
、設定するものは平行移動の原点である。

そこで、以上に説明したシステムによるレーザ光ｌの投
映手順を項目ごとに説明する。

（１）Ａ、、Ａ、、Ｃ点の道路座標（ｘ＋　　ｙ＋　　
ｚ）とＣ点からＤ点をみた絶対方位角θｃｏ、ｃＤ間の
距離ｆｆ１ｃＤを入力する （２）トータルステーションを用いてＡ、、Ｂ、Ａｔで
三角測量を行い、Ｂ点の道路座標（Ｘ　２＋　）’　ｌ
＋ｚｚ）を知る。

ここで、第２０図にて、測距をＬ　Ａｌ　ｌ＋　　Ｌ　
Ａｚｍｓそして測角をθ１とし、また第２１図にてレベ
ルをｈ＋、ｈｚ　とする。

（３）第２２図のＣ点の道路座標（Ｘ　：ｌ＋　’Ｉ　
３＋　Ｚ　３）＋Ｃ，Ｄ間の距Ｍ！。、Ｃ点からみたＤ
点の方位θｃ０より自動演算してＤ点の道路座標（Ｘ４
゜）’　４＋　２４）を求める。

（４）三角形Ａ２．Ｂ、Ｄより自動演算して、第２３図
及び第２４図の投映距離ＺＩＥｌ＋投映平面方位角θ２
．長手断面投映角θ８を求める。

（５）トータルステーション５０を用いて、Ａ２から０
２だけ振り、トンネルマーカー（発破マーカー）をＤ点
の水平方向に向ける。

（６）　　コントローラーからθ８の指令を受け、２軸
スキヤナーでθ２を出し、レーザー点をＤ点に自動投映
する。原点を手動にて平行移動で調整する。

（７）投映距離１０をもとにして、投映パターン（半径
、直径、半円、半楕円）・発破パターンを選定コードか
ら選出し、掘削切羽面上に所定の投映像を描く。

（８）　　レーザー照射器１４（Ｂ点）を移動さすまで
の２回目以降の投映は（３）項からの手順となる。

なお、本発明において採用されるトータルステーション
５０としては、測距、測角及び水準測量が同一機器で行
ない得るすでに本邦で市販されている公知の機器をその
まま使用できる。

（発明の効果〕 以上に説明した本発明のレーザ光照射方法及びその装置
を採用すれば、トンネル掘削切羽上のトンネル中心線、
支保工の建込み線、掘削線さらには発破パターンなどの
表示が、−度の準備で長時間、例えば２週間程度にもわ
たって使用できると共に、上記の各種の作業時間が短縮
でき、作業能率が著しく向上するという効果である。

また、再確認したい時に、作業の制約を受けずにいつで
も簡単にレーザ光を投映でき、掘削のチエツク機構がそ
なわることになり、さらに従来のマーキングによる掘削
線の表示手法に比較して、掘削線の精度が高く、余掘り
が少なくなり、吹付け、覆工コンクリート量の喰込みが
減少するので経済的なトンネル掘削工事ができるという
効果がある。

また、カーブ施工についても、本発明を採用することで
、簡単にトンネル中心線、支保工の建込み線、そして掘
削線の表示ができ、その作業能率と精度が向上するとい
う利点がある。

一方、本発明を発破パターンの表示に適用した場合、計
画発破パターンと実際の地山の状況と対比しながら、削
孔位置を変更できるため、余掘りゃ掘残しが減少して、
吹付はコンクリート等の喰込み量が減少するという効果
がある。

特に、本発明の装置では、レーザ光照射器を、測距、測
角及び水準測量が一台で行なえる市販のトータルステー
ションを介して三脚なとの架台上に設け、測定ずみの座
標を有する２個の反射ミラーを介してレーザ光を照射し
ているので、ジャイロコンパスや光波距離計を設ける必
要がなく、装置全体の構造が簡単になるという利点があ
る。

また、レーザ光照射器自体を水平に保持することは、ト
ータルステーションを取付けるときの気泡式の水準計で
実際には大きな誤差なく行なうことができるので、高価
なピッチングロール計や、サーボ加速度計を設置する必
要がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を適用してトンネル坑内の掘削断
面にレーザ光を照射する装置の一実施例における配置を
示す概略平面図、第２図は第１図の側面図、第３図は第
１図の切羽面の正面図、第４図は第１図のレーザ光照射
器及び反射ミラーの構成側面図、第５図は第４図のレー
ザ光照射器の平面図、第６図は第４図のトータルステー
ション及びマーカの中心点を示す側面図、第７図は第１
図の装置の投映パターンの説明図、第８−Ａ図は第６図
のトータルステージジンの役割を示す平面図、第８−Ｂ
図は第８−Ａ図の側面図、第９図は第１図のトンネルセ
ンターＤの座標の説明図、第１０図は投映角及び投映距
離の説明図、第１１図は第１０図の投映角θ２の説明図
、第１２図は第１０図の投映角θ、の説明図、第１３図
は第１２図の要部側面図、第１４図は第１３図のトンネ
ルマーカーレーザ発進点の拡大側面図、第１５図は投映
半径とスキャンニング角度の説明図、第１６図は平行移
動についての説明図、第１７図は第１６図の要部正面図
、第１８図は原点法めの平行移動についての説明図、第
１９図は投映像の平行移動についての説明図、第２０図
は投映手法を説明するＢ点についての説明用平面図、第
２１図は第２０図の側面図、第２２図は投映手法を説明
する０点の道路座標の説明図、第２３図は投映手法を説
明する投映平面方位角の説明図、第２４図は第２３図の
長手断面投映角の説明図、第２５図、第２６図及び第２
７図は従来のトンネル中心線の出し方の説明図、第２８
図は従来の支保工の建込み位置の出し方の説明図、第２
９図は従来のマーキングによる掘削線の表示法の説明図
である。 １・・・切羽面、１３・・・三脚等の架台、１４・・・
レーザ光照射器、１５　Ａ　＋　、１５　Ａ　ｚ・・・
反射ミラー、１６・・・コントローラ、５０・・・トー
タルステーション、ｌ・・・レーザ光。 代理人　弁理士　小　川　信　−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 架台上に取付けられた測距、測角及び水準測量が可能な
   トータルステーション上に設けられたレーザ光照射器及
   び該レーザ光照射器からのレーザ光を反射する振り角制
   御自在な２個の反射ミラーと、上記反射ミラーの振り角
   を制御するコントローラとからなるトンネル切羽面への
   レーザ光照射装置。