JPH0525994A - プレライニング機の自動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 切羽前方の地山に対するオーガ架台のセッ
ト、削孔およびモルタル注入をオペレータに頼ることな
く自動化し、迅速かつ正確に地山補強を行う。 ［構成］ オーガ架台１９用の多関節支持体を有するプ
レライニング機１と、車体３側とオーガ架台１９側に設
置したターゲットミラー３１，３２，３３，３４と、ト
ンネル内に設置した自動測量装置３５と、多関節支持体
の作動状況を検出するセンサとを備え、自動測量装置３
５から各ターゲットミラー３１〜３４にレーザ光を照射
してプレライニング機１及びオーガ架台１９の位置，方
向を計測し、この計測結果と各センサ情報に基きオーガ
架台１９の姿勢を自動制御し、かつオーガの引き抜き速
度に合わせて削孔にモルタルを自動注入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土被りの浅い未固結地
山にトンネルを掘削する場合に、その切羽前方地山にア
ーチ状のコンクリート壁を構成して地山を補強するのに
用いられるプレライニング機の自動制御装置に係り、特
に切羽前方地山に対するプレライニング機のブームセッ
ト、削孔、モルタル注入を自動的に行うことができるプ
レライニング機の自動制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】地山にトンネルを掘削する場合、地表面
の沈下を抑え、かつ切羽の安定性を図るために、トンネ
ルの切羽前方にプレライニング機によりアーチシェルを
構成して地山を補強する施工法が知られている（特開平
２−１１２５９５号公報）。

【０００３】従来、このようなプレライニング機械を用
いてトンネルの切羽前方にトンネル断面に沿いアーチ状
のコンクリート壁（アーチシェル）を形成する場合は、
まず機械本体を施工位置まで移動させる。次に、オーガ
架台を支持する油圧式多関節機構を運転席にいるオペレ
ータのマニアル操作により作動させてオーガ架台を目標
位置にセットする。その後、コントロールレバーをマニ
アル操作することにより、オーガの回転数およびオーガ
の送り込み速度を調整しながら地山に孔をあける。そし
て、所定の長さに削孔がなされた後は、オーガを一定速
度で抜き方向に後退させながら、コントロールレバーを
マニアル操作することにより、モルタルポンプからオー
ガの中空部を通して孔内に注入されるモルタル注入量を
オーガの抜き速度に合わせて調節し、孔内をモルタルに
より充填することにより、地山内にプレライニングを構
築するようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の施工方式では、オペレータのマニアル操作
により、オーガ架台のセット、削孔およびモルタル注入
を行うものであるため、オーガ架台の位置、方向決めに
時間がかかり、オペレータの負担が増大するとともに、
正確な位置および方向決めが困難で、ずれが生じ易い問
題があった。また、決められた長さの孔を正確に掘削で
きず、しかも、オーガの引き抜き速度に合わせてモルタ
ル量を注入することが難しく、構築されたアーチシェル
に障害が発生し易くなるほか、切羽の安定性、地表面の
安定性にも支障を来す問題があった。

【０００５】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、切羽前方の地山に対するオーガ架台のセット、削
孔およびモルタル注入をオペレータに頼ることなく自動
化し、迅速かつ正確に地山補強を行うことができるプレ
ライニング機の自動制御装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、駆動手段により回転される少なくとも１本
の削孔用オーガを進退可能に支持するとともに削孔用オ
ーガを進退させる送り手段を有するオーガ架台、トンネ
ル内を走行する走行台車、前記走行台車に支持されると
ともに前記オーガ架台をトンネルの切羽前方に削孔でき
る姿勢に移動させる多関節支持体、および前記多関節支
持体の各関節部をそれぞれの屈曲方向に動作させる各別
のアクチュエータ、前記オーガ内を通して削孔内に地山
補強用のモルタルを注入するモルタルポンプとを有する
プレライニング機と、前記走行台車上に設置されトンネ
ル切羽に対する位置を計測するためのターゲットミラー
と、前記オーガ架台に設置され、切羽前方の削孔位置に
対する位置および方向を検出するためのターゲットミラ
ーと、前記トンネル内の前記プレライニング機より後方
に位置する基準点に設置され、前記各ターゲットミラー
に対し光りビームを照射することにより基準点からの距
離および角度を計測する自動測量手段と、前記各関節部
のアクチュエータの作動状態を検出するセンサと、前記
自動測量手段からの距離および角度データと前記各セン
サからの情報に基づいて前記オーガ架台の現状位置と目
標位置とのずれ量を算出し、この算出結果に基づき前記
各アクチュエータを制御して前記オーガ架台を削孔許容
範囲内にセットする制御手段とから構成されていること
を特徴とする。また、本発明は、前記構成に加えて、削
孔用オーガの回転速度および送り量をそれぞれ検出する
センサと、前記オーガを送り手段により一定速度で引き
抜きながら削孔内にモルタルを注入するときに前記送り
量センサからの送り速度に基づいてモルタル注入量を算
出し、この算出結果により前記モルタルポンプの回転数
を制御する制御手段を設けたことを特徴とする。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図６に基づ
いて説明する。図１は、本発明によるプレライニング機
用自動制御装置の全体の構成図、図２はプレライニング
機の平面図、図３はその側面図、図４は地山補強状態を
示す施工状況図、図５は、トンネルの切羽前方に地山補
強用のアーチシェルを形成した状態を示す説明図、図６
は施工手順を示すフローチャートである。まず、図２〜
図４において、１はトンネルの切羽前方にアーチシェル
を構築するためのプレライニング機である。このプレラ
イニング機１は、前後および旋回方向に走行可能なクロ
ーラ２、およびクローラ２上に水平方向に旋回可能に設
置した車体３を備え、車体３上には、運転席４、クロー
ラ２および不図示の油圧ポンプ等の駆動源となる電動機
５、電動機５その他を制御する制御盤６等が設置されて
いる。また、７はクローラ２のフレーム２ａ上に設置し
たモルタルポンプである。なお、車体３には、車体３の
ローリングおよびピッチングを検出する各センサ（不図
示）が設けられており、この各センサで検出したデータ
は切羽に対するオーガ部の概略の位置決めに利用され
る。

【０００８】車体３上の旋回中心には、支持部材８を介
し多関節支持体を構成する主ブーム９の一端が上下方向
に回動可能に枢着され、この主ブーム９はリフト用油圧
シリンダ１０により上下方向に回動されるようになって
おり、また、主ブーム９の枢着部には、主ブーム９の角
度を検出するリフトエンコーダ１１が取り付けられてい
る。主ブーム９の揺動端には、ブーム伸縮機構５０が設
けてあり、このブーム伸縮機構５０は、後述するオーガ
で削孔するとき、オーガ架台上にその長手方向に設置さ
れているスライド機構により前方へスライドさせながら
削孔するが、切羽までの距離が長くなってオーガ先端が
所定の位置まで届かないような場合に切羽までの距離を
調整するものである。５１は主ブーム９の伸縮量を検出
するセンサである。また、ブーム伸縮機構５０の先端に
は、副ブーム連結部材１２が上下方向（ピッチング方
向）に回動可能に連結され、この連結部材１２はチルト
用油圧シリンダ１２ａによってピッチング方向に傾き調
節できるようになっているとともに、その傾き角を検出
するチルトエンコーダ１３を備える。連結部材１２に
は、副ブーム１４の一端が水平方向に揺動可能に枢着さ
れ、この副ブーム１４はスイング用油圧シリンダ１５に
よって水平方向に回動できるようになっているととも
に、そのスイング角を検出するスイングエンコーダ１６
を備える。副ブーム１４には、オーガ基台１７が左右方
向（ローリング方向）に揺動可能に支持され、そして、
このオーガ基台１７は枢支部に設けた油圧アクチュエー
タ１７ａによりローリング方向に回動できるようになっ
ているとともに、そのローリング角を検出するローリン
グエンコーダ１８を備える。

【０００９】オーガ基台１７上には、オーガ架台１９が
前後方向にスライド可能に設置され、このオーガ架台１
９は油圧シリンダ２０により前後方向に移動できるよう
になっているとともに、その移動量を検出するスライド
センサ２１を備える。オーガ架台１９上には、オーガ回
転用油圧モータ２２ａを有する掘進機構２２がオーガ架
台１９の長手方向にスライド可能に設置されており、掘
進機構２２には、オーガ架台１９の長手方向に伸びる複
数の削孔用オーガ２３の一端が連結され、それぞれは掘
進機構２２の油圧モータ２２ａにより回転されるように
なっているとともに、他端側は、オーガ架台１９に取り
付けた振れ止め部材２４によって支持されている。２５
はオーガ架台１９の後端に設置したオーガフィード用油
圧モータであり、この油圧モータ２５の回転軸に設けた
スプロケット２６と、オーガ架台１９の先端に設けたス
プロケット２７間には、エンドレスチェーン２８が巻き
掛けられ、このエンドレスチェーン２８は掘進機構２２
に連結されている。２９はオーガ２３の回転速度を検出
するエンコーダであり、３０はオーガ２３の掘進量を検
出するエンコーダである。

【００１０】３１は車体３の旋回中心部に設置した前方
ターゲットミラー、３２はクローラ２の後部に位置する
フレーム２ａ上に設置した後方ターゲットミーラーであ
り、これらターゲットミラー３１，３２は、トンネルの
切羽に対するプレライニング機１の移動位置を計測する
ためのものである。また、３３はオーガ架台１９の先端
側に左右に位置して設置した複数のターゲットミラー、
３４はオーガ架台１９の後端側に設置したターゲットミ
ラーであり、前方の左右ターゲットミラー３３はオーガ
架台１９の左右方向の傾き（ローリング角）を計測する
ためのものであり、前方のターゲットミラー３３と後方
のターゲットミラー３４はオーガ架台１９の前後方向の
傾き（ピッチング角）を計測するためのものである。

【００１１】図４において、３５は、プレライニングの
施されたトンネル３６内の基準位置に設置した自動測量
装置であり、この測量装置３５は、プレライニング機１
のセット位置を計測するとともに、オーガ架台１９のロ
ーリング角（左右の傾き）およびオーガ架台１９のピッ
チング角（前後の傾き）を計測するものである。自動測
量装置３５は、レーザ発生源３５ａと、このレーザ発生
源３５ａから各ターゲットミラーに照射され反射してく
るレーザ光から三角測量法等によりターゲットミラーま
での距離を計測する光波距離計３５ｂと、レーザ発生源
３５ａを水平方向に旋回して水平方向の傾き角度を計測
するエンコーダ等からなる水平傾き角計測器３５ｃと、
レーザ発生源３５ａを垂直方向に旋回して垂直方向の傾
き角度を計測するエンコーダ等からなる垂直傾き角計測
器３５ｄとから構成される。また、自動測量装置３５に
は、制御ユニット３７が接続されている。この制御ユニ
ット３７は、光波距離計３５ｂ、水平傾き角計測器３５
ｃおよび垂直傾き角計測器３５ｄにより計測した距離お
よび角度を基にターゲットミラー３１〜３４の座標値を
計算するものであり、この座標値データはプレライニン
グ機１に無線送信され、プレライニング機１側でオーガ
架台１９の絶対座標を演算するとともに、オーガ架台１
９の現在位置と目標位置とのずれを演算する。また、図
４において、３８はトンネル３６の切羽、３９はプレラ
イニング機１により地山に構築されたプレライニング用
アーチシェルである。

【００１２】次に、図１の構成について述べる。図１に
おいて、４０は、プレライニング機１に搭載された制御
装置であり、この制御装置４０は、プレライニング機全
体を制御し管理するＣＰＵ４０１、制御用のプログラム
およびＣＰＵ４０１での演算結果などの各種データを格
納するメモリ４０２と、入出力インタフェース４０３を
備える。入出力インタフェース４０３には、種々のデー
タおよび指令を与えるキーボード４１，ＣＲＴ等からな
るモニタ表示装置４２および自動測量装置３５の制御ユ
ニット３７とデータの送受を行う送受信機４３がそれぞ
れ接続されている。さらに、入出力インタフェース４０
３には、プレライニング機１の各種エンコーダおよびセ
ンサ類４４が接続されているとともに、プレライニング
機１の各種油圧シリンダおよび油圧モータ等に制御指令
を与えて駆動回路４５が接続されている。

【００１３】自動測量装置３５の制御ユニット３７は、
全体を制御し管理するＣＰＵ３７１と、処理プログラ
ム、ＣＰＵ３７１での演算結果および自動測量装置３５
からの計測データ等を格納するメモリ３７２と、入出力
インタフェース３７３を備える。入出力インタフェース
３７３には、自動測量装置３５およびプレライニング機
１側の送受信機４３とデータの送受を行う送受信機４６
がそれぞれ接続されている。

【００１４】次に、上記のように構成された本実施例の
施工動作を図６のフローチャートを参照して説明する。
まず、エンジン５を起動して本体、即ち、プレライニン
グ機１を手動運転にてトンネル切羽３８に正対する施工
位置まで移動する（ステップＳ１）。次のステップＳ２
では、測量装置３５を動作させて、プレライニング機１
のターゲットミラー３１，３２に向けレーザ発生源３５
ａからレーザ光を照射し、ターゲットミラー３１，３２
から反射してくるレーザ光を光波距離計３５ｂで受けて
プレライニング機１までの距離を計測するとともに、こ
のときの水平傾き角および垂直傾き角をそれぞれの計測
器３５ｃおよび計測器３５ｄにより計測し、これら計測
データを制御ユニット３７に送り込むことにより、プレ
ライニング機１の位置座標を求める。そして、次のステ
ップＳ３では、本体の位置データを送受信機４６を通し
てプレライニング機１へ送信する。

【００１５】プレライニング機１側では、送信されてき
た本体の位置データを送受信機３４で受信して制御装置
４０のＣＰＵ４０１に取り込み、プレライニング機１の
移動位置がオーガ架台１９の削孔許容範囲にセットされ
ているかを判定する（ステップＳ４）。ここで、削孔許
容範囲でないと判定されたときはステップＳ１に戻り、
再びプレライニング機１を移動することにより削孔許容
範囲内にセットする。また、プレライニング機１がオー
ガ架台１９の削孔許容範囲内にセットされていると判定
されたときは、次のステップＳ５に移行してオーガ架台
１９の削孔位置に対する姿勢を決める主ブーム９、副ブ
ーム１４およびオーガ架台１９の上下方向、水平方向、
ピッチングおよびローリング方向の作動状況をそれぞれ
のエンコーダおよびセンサにより検出して制御装置４０
のＣＰＵ４０１に取り込み、この各検出データと目標位
置データとのずれ量を算出する。そして、次のステップ
Ｓ６では、算出結果に基づいて、主ブーム９、副ブーム
１４およびオーガ架台１９などの各油圧シリンダを制御
し、ブームを移動させてオーガ架台１９の位置、方向
（姿勢）を補正する。この時、ブームの１次移動にて補
正される位置はブーム等のがた、たわみ等によるもので
ある。その後、ステップＳ７において、自動測量装置３
５のレーザ発生源からのレーザ光をオーガ架台１９側の
各ターゲットミラー３３，３４に照射し、その反射光を
測量装置３５で受けることにより、基準点からの距離お
よびオーガ架台１９の左右方向（ローリング方向）と前
後方向（ピッチング方向）の傾き、即ちオーガ架台の位
置と方向を計測する。この計測結果の各データは、制御
ユニット３７で処理された後、送受信機４６によりプレ
ライニング機１側へ送信される。（ステップＳ８）。

【００１６】プレライニング機１側では、送信データを
送受信機４３で受信してＣＰＵ４０１に送り込み、この
計測結果と各エンコーダおよびセンサから取り込んだ情
報に基づく現状のオーガ架台１９の方向，位置とを比較
して両者のずれ量を算出する（ステップＳ９）。そし
て、次のステップＳ１０において、ずれ量が削孔許容範
囲内かを判定する。ここで、削孔許容範囲外であると判
定されたときは、ステップＳ１１に進み、ステップＳ６
と同様にブームを２次移動させて再度オーガ架台の位置
計測を実行し、ずれ量が許容範囲内になるまで計測と移
動を繰り返す。

【００１７】また、ステップＳ１０において、許容範囲
内であると判定されたときは、ステップＳ１２に移行
し、掘進用油圧モータ２２ａおよびオーガフィード用モ
ータ２５を起動することにより、オーガ２３を回転し、
かつ推進して切羽３８の前方地山を削孔する。このと
き、オーガ２３の推進量をエンコーダ３０により検出
し、この検出信号をＣＰＵ４０１に取り込むことによ
り、削孔長が所定の長さに達したかを判定し、（ステッ
プＳ１３）、所定長に達したことが判定されると、オー
ガ２３が停止する。（ステップＳ１４）。その後、ステ
ップＳ１５に示すモルタルの注入動作に移行する。

【００１８】この注入動作に際しては、オーガフィード
用油圧モータ２５が後退方向に起動されるとともに、モ
ルタルポンプ７が起動される。これによりオーガ２３が
一定の速度で引き抜かれると同時に、この引き抜き速度
に合わせて演算したモルタル注入量がモルタルポンプ７
からオーガ内を通して、削孔内に注入される。そして、
次のステップＳ１６において、予め、判明している削孔
長に応じたモルタル注入が終了したかを判定する。削孔
へのモルタル注入が終了したことが判定されると、次の
ステップＳ１７に移行して、切羽３７の前方地山に対す
る全ての削孔およびモルタル注入が終了したかを判定す
る。終了しない場合は、ステップＳ５に戻り、ステップ
Ｓ５以下の処理を繰り返し実行する。

【００１９】図５は、５軸のオーガを有するプレライニ
ング機１により切羽前方の地山に、その断面方向に沿っ
て５回にわたり、プレライニング、即ちアーチシェル３
９を構築した場合を示す。なお、図５において、５０は
吹付けコンクリートである。

【００２０】このように本実施例においては、プレライ
ニング機の位置およびオーガ架台の位置，方向を基準点
に設置した自動測量装置により計測し、この測量結果と
ブーム部分の各センサ情報からずれ量を算出し、このず
れ量に応じて各油圧シリンダを制御することにより、オ
ーガ架台を削孔許容範囲内へ自動的にセットできるよう
にしたので、トンネル切羽に対するオーガ架台の位置を
短時間にかつ正確にセットでき、人手も要しなくなると
共に、切羽前方の地山の補強施工能率が向上し、省人力
化も容易に実現できる。また、オーガ部には、その推進
位置を検出するエンコーダおよびオーガの回転速度を検
出するエンコーダを設け、これによって削孔長を制御で
きるようにしたので、決められた削孔長を正確に掘削で
きるほか、オーガの引き抜き速度に合わせてモルタルポ
ンプの回転数を制御できるようにしたので、削孔への正
確な量のモルタル注入が可能になり、アーチシェルを安
定して構築できるとともに、切羽の安定性、地表面の安
定性を確保できる。

【００２１】なお、本発明においては、オーガ架台の姿
勢を目標位置へセットする機構は、上記実施例に示す構
成のものに限らず、他の多関節機構でも良いほか、その
他の機構も請求項に記載した範囲を逸脱しない限り種々
変形し得る。

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、プ
レライニング機のトンネル切羽に対する位置およびオー
ガ架台の位置，方向を基準点に設置した自動測量装置に
より計測し、この測量結果と多関節機構の各関節部の作
動状況を検出するセンサ情報とからずれ量を算出して、
このずれ量に応じオーガ架台を削孔許容範囲内に自動的
に制御するようにしたので、トンネル切羽に対するオー
ガ架台の位置を短時間にかつ正確にセットすることがで
き、省人力化も可能になる。また、削孔へのモルタル注
入時は、オーガの引き抜き速度に合わせてモルタルポン
プの回転数を制御できるようにしたので、削孔へのモル
タル注入を正確にできるほか、オーガ架台のセット，削
孔，およびモルタル注入の一連の作業を自動化できると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す自動制御装置の全体の
ブロック図である。

【図２】本実施例に使用されるプレライニング機の平面
図である。

【図３】図２の側面図である。

【図４】本実施例における地山補強状態を示す施工状況
図である。

【図５】トンネルの切羽前方に地山補強用のアーチシェ
ルを形成した状態を示す説明図である。

【図６】本実施例における施工手順を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

１ プレライニング機 ２ クローラ ３ 車体 ７ モルタルポンプ ９ 主ブーム １０ 油圧シリンダ １１ エンコーダ １２ 連結部材 １２ａ 油圧シリンダ １３ エンコーダ １４ 副ブーム １５ 油圧シリンダ １６ エンコーダ １７ａ アクチュエータ １８ エンコーダ １９ オーガ架台 ２０ 油圧シリンダ ２１ センサ ２２ 掘進機構 ２２ａ 油圧モータ ２３ オーガ ２５ オーガフィード用油圧モータ ２９，３０ エンコーダ ３１，３２，３３，３４ ターゲットミラー ３５ 自動測量装置 ３６ トンネル ３９ 制御ユニット ３８ 切羽 ３９ アーチシェル ４０ 制御装置 ４３，４６ 送受信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三村 洋一 東京都渋谷区千駄ケ谷４丁目６番15号 株 式会社フジタ内 (72)発明者 神田 剛 東京都渋谷区千駄ケ谷４丁目６番15号 株 式会社フジタ内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動手段により回転される少なくとも１
   本の削孔用オーガを進退可能に支持するとともに削孔用
   オーガを進退させる送り手段を有するオーガ架台、トン
   ネル内を走行する走行台車、前記走行台車に支持される
   とともに前記オーガ架台をトンネルの切羽前方に削孔で
   きる姿勢に移動させる多関節支持体、および前記多関節
   支持体の各関節部をそれぞれの屈曲方向に動作させる各
   別のアクチュエータ、前記オーガ内を通して削孔内に地
   山補強用のモルタルを注入するモルタルポンプとを有す
   るプレライニング機と、 前記走行台車上に設置されトンネル切羽に対する位置を
   計測するためのターゲットミラーと、 前記オーガ架台に設置され、切羽前方の削孔位置に対す
   る位置および方向を検出するためのターゲットミラー
   と、 前記トンネル内の前記プレライニング機より後方に位置
   する基準点に設置され、前記各ターゲットミラーに対し
   光りビームを照射することにより基準点からの距離およ
   び角度を計測する自動測量手段と、 前記各関節部のアクチュエータの作動状態を検出するセ
   ンサと、 前記自動測量手段からの距離および角度データと前記各
   センサからの情報に基づいて前記オーガ架台の現状位置
   と目標位置とのずれ量を算出し、この算出結果に基づき
   前記各アクチュエータを制御して前記オーガ架台を削孔
   許容範囲内にセットする制御手段と、 を備えたことを特徴とするプレライニング機の自動制御
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記削孔用オーガの
   回転速度および送り量をそれぞれ検出するセンサと、前
   記オーガを送り手段により一定速度で引き抜きながら削
   孔内にモルタルを注入するときに前記送り量センサから
   の送り速度に基づいてモルタル注入量を算出し、この算
   出結果により前記モルタルポンプの回転数を制御する制
   御手段を設けたことを特徴とするプレライニング機の自
   動制御装置。