JPH0823277B2 - 掘進中のトンネル内換気設備の制御方法、及び同制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、掘進工事中のトンネル内の換気設備を、適
正風量ならしめるように自動制御する方法、及び、上記
制御方法を実施するための装置に関するものである。

ただし、本発明においてトンネルとは、交通の用に供
せられる狭義のものに限らず、採鉱用の坑道や、導水路
を含む意である。

〔従来の技術〕

トンネル内においては、自然通風だけでは足りない場
合が多く、このため換気設備が設けられる。

而して、換気設備による通風の所要量は各種の条件に
伴って変化する。

このため、従来一般に、トンネル内換気設備は通風量
を加減するに適した送風機が用いられる。

上記のトンネル内換気に好適な送風機としてコントラ
ファン（２重反転式軸流送風機）が広く用いられてい
る。

このコントラファンは、羽根ピッチ方向が逆の２基の
可変ピッチ式軸流形ファンを、同心状に対向せしめて配
列した構造である。

２基のファンのピッチが逆であるから、２基を運転す
る場合に整流が容易で高風圧，高能率が得られる。ま
た、２基の内の１基のみ運転（単段運転）することも出
来、羽根ピッチの調節と相俟って広範囲の風量制御が可
能である。

トンネル内の諸条件（例えば交通量）の変化に応じて
換気設備を制御する為の最近の技術としては、特開昭61
-286500が公知である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の公知制御技術は完成したトンネル対象とし、主
として自動車の排気ガスをトンネル外に排出して新鮮な
空気を導入するためのものである。

ところが、上記とは別の作業分野において、掘進工事
中のトンネル内換気の制御に関する問題がある。

掘進中のトンネル内は、完成したトンネル内に比して
条件変化が激しく、しかも、変化の予測が困難である。

条件変化の主なものとして、次記事項がある。

（イ）送風路の長さの変化、 トンネル入口付近にファンを設置して、その吐出空気
を切羽まで送風管（風管）で導く場合、切羽が掘り進ま
れてゆくに従って風管が長くなり、通風抵抗が増加す
る。

（ロ）粉塵発生量の変化 トンネルを掘進してゆくと土質が変化するので、これ
に応じて掘削工法や積込工法が変えられる。こうした土
質変化や工法変化に伴って粉塵発生量が著しく変化す
る。

（ハ）ガスの発生 有害ガスの発生には、土中からの噴出と、作業機械か
らの発生との両方が有る。これらの内、特に土中からの
ガス噴出は、その噴出量が不規則に変化して予測が容易
でない。

しかも、掘進中のトンネル内においては、湧水があっ
たり天井から水が滴下したりすることが多いので、換気
設備やその制御装置は耐水性に優れていることも要求さ
れる。

掘進中のトンネル内は、以上に述べた如く、完成トン
ネルに比して条件変化が著しいので、完成トンネル内の
換気設備に比して制御範囲が広く、しかも即応性のある
制御技術の開発が望まれる。

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、人手を
要せずに24時間連続監視が可能で、切羽付近雰囲気の変
化に応じて常に適正な風量を送給することが出来、切羽
付近雰囲気の急激な変化にも即応でき、しかも、コント
ラファンの特性に適した制御方法及び、上記制御方法を
実施する為の制御装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために創作した本発明に係る制
御方法は、動翼可変ピッチ式のコントラファンを用いた
換気設備を適用の対象とし、 切羽とセントルとの間に粉塵センサ、煙霧透過率検出
用VI計、及び有害ガスセンサの少なくとも何れか一つを
設け、 上記センサの出力信号に基づいて、コントラファンの
動翼ピッチ制御、及び、該コントラファンの段数制御を
行ない、 かつ、セントル付近に設けた割込スイッチにより、必
要に応じて前記コントラファンの風量を増加せしめるよ
うに、優先的に手動操作を行なう。

また、上記の発明方法を実施するために創作した本発
明に係る制御装置は、 切羽とセントルとの間に配設される粉塵センサ、煙霧
透過率検出用VI計、及び有害ガスセンサの少なくとも何
れか一つと、 上記センサの出力信号に基づいて、コントラファンの
最適運転状態（段数及び動翼ピッチ）を算出する演算器
と、 上記演算手段の出力信号に基づいて、コントラファン
の動翼軸（回転羽根軸）を駆動する２組のモータのそれ
ぞれをオン・オフ制御する手段と、 同じくコントラファンの動翼ピッチ調節モータを正，
逆転制御する手段と、を設け、かつ、前記コントラファ
ンの風量を増加させるように優先的に作用する割込スイ
ッチを設ける。

〔作用〕

上述の手段によってコントラファンの風量を制御する
と、粉塵濃度，煙霧透過率，又は有害ガス濃度に応じ
て、自動的にコントラファンの段数制御、及び動翼ピッ
チ制御が行われる。

コントラファンは、第５図に示す如く、管状ケーシン
グ１内に前段ファン２と後段ファン３とを同心状に配列
した構造になっており、それぞれ前，後段モータ2a,3a
が前，後段ステー2b,3bによって支承されている。上記
の前，後段モータ2a,3aはそれぞれ、翼車を回転させる
主モータと、動翼ピッチを調節する翼角モータとよりな
り、互いに独立に制御される構造である。

上記前、後段翼車2c,3cは互いに反対方向のピッチを
与えられているので、互いに反対方向に回転することに
より、回転方向分速を相殺させつつ、図の右方から大気
を吸入して左方に吐出する。

第６図は上記コントラファンの特性曲線図表で、曲線
4_-1は前記前，後段モータ2a,2bの内の何れか一方に通電
し、他方をフリーにした単段運転時の特性を示す。

曲線4_-2は、前，後段モータ2a,2bの両方に通電した両
段運転時の特性を示す。

5_-1,5_-2は抵抗曲線の例である。5_-1は、風管が短かく
て通風抵抗が少ないとき、5_-2は風管が長くて通風抵抗
が多いときを例示している。

通風抵抗を更に増して抵抗曲線5_-3,5_-4の如くになる
とサージング域に入るので、このような使い方は為され
ない。

前記の段数制御は、前，後段モータ2a,3aの通電をオ
ン・オフ制御して、特性曲線4_-1,4_-2の切換を行うもの
であって、風量を比較的広範囲に段階的制御することが
可能である。

前記の動翼ピッチ制御は、更に微細な風量制御を行う
ことが出来る。

第７図は、動翼ピッチをθ_L（ピッチ角小）、θ_M、θ
_H（ピッチ角大）に変化させたときの風量変化を、風量
−圧力座標の上に描いた図表である。本図はθ_L、θ_M、
θ_Hの３本の曲線を示したが、θ_Lとθ_Hとの間で無段階
に調節することが出来る。

このようにして、段数制御と動翼ピッチ制御とを併用
すると、広範囲の風量制御を無段階に行い得るので、他
の制御手段（例えばインバータ制御）を用いる必要が無
く、耐水性の大きい部材だけで制御装置を構成すること
が出来、トンネル工事場内での使用に適している。

更に、前述の手段によれば、これらの段数制御，動翼
ピッチ制御が、粉塵センサ,VI計，又はガスセンサの信
号出力によって自動的に行われるので、人手を要せずに
24時間監視が容易であり、しかも雰囲気条件の変化に即
応することが出来、その上、必要に応じて割込スイッチ
を操作することにより、コントラファンの送風量を一時
的に増加させることが出来る。

〔実施例〕

第１図は、掘進中のトンネルに設置したコントラファ
ンを制御する為に構成した本発明の制御装置の一実施例
を示す模式図である。

図において右端がトンネル入口であり、左端が切羽で
ある。本図は、入口と切羽との間の図示Ｌの区間を切り
縮めて描いてある。この距離Ｌは、工事の進捗に伴って
次第に増加してゆく。

切羽の近くにセントル６が設けられ、このセントルは
切羽の掘進に伴って移動される。

トンネルの入口に設置されたコントラファンと切羽と
の間に風管７が設けられ、その先端部はセントルを貫通
して切羽近傍に開口している。

トンネルの掘進に伴って距離Ｌが増加すると、風管７
は継ぎ足して延長されてゆく。このため、コントラファ
ンによる通風抵抗が次第に増加してゆく。

本例においては、切羽に真近の個所に粉塵センサ8aを
設けると共に、セントル６の直前の個所に粉塵センサ8b
を設けてある。この２個所が一般に、最も粉塵の多い所
だからである。

本発明を実施する場合、上記の粉塵センサ8a,8bの代
りに、若しくは該粉塵センサ8a,8bと併せて、煙霧透過
率を検出するVI計（図示せず）を設けてもよい。

セントル６と切羽との間の適宜の個所に、有害ガスの
濃度を検出するガスセンサ９を設ける。

更に、風管７内の適宜の個所に風量センサ10を設け
る。

コントラファンの前段モータ2aを構成している主モー
タ2_a-1のオン・オフ制御、及び翼角モータ2_a-2の正，逆
転制御は、制御手段11によって行われる。

同様に、後段モータ3aを構成している主モータ3_a-1の
オン・オフ制御と、翼角モータ3_a-2の正，逆転制御も前
記の制御手段11によって行われる。

前記の粉塵センサ8a,8b、ガスセンサ９、及び風量セ
ンサ10の出力信号は演算器12に入力される。

上記粉塵センサに代えて、又は該粉塵センサと併せて
煙霧透過率検出用VI計（図示せず）を設けた場合、該VI
計の出力信号は演算器12に入力される。

上記の演算器12は予め制御プログラムを与えられてお
り、前記各センサの信号値と上記プログラムとに基づい
て、適正な運転状態（適正運転段数、及び適正動翼ピッ
チ）を算出して制御手段11に指令信号を与える。

次掲の第１表に、単段運転と両段運転との切換運転を
行うための運転モードの１例を示す。

本実施例の制御装置においては、本表のようにモード
を設定して使用するため、演算器12にモード切替スイッ
チ（図示せず）を設け、掘進に従って手動操作で指定モ
ードを切り替えるように構成する。

演算器12は、粉塵濃度（又は煙霧透過率）が重
（Ｈ），中（Ｍ），軽（Ｌ）の何れであるかを粉塵セン
サ8a,8b（又はVI計）から入力され、指定されたモード
と対照して適正な運転段数（単段または両段）を決定
し、制御手段11に制御指令を与える。

本例の制御装置（第１図）は、セントルの近傍に割込
スイッチ13を設けてあり、この割込スイッチを操作する
と、第１表による最適段数の判定に優先して両段運転を
行い得るように構成してある（詳細は第３図について後
述する）。

このように割込スイッチを設けておくと、例えば作業
の関係上、特に良好な視界を確保したいときとか、湿度
が高くて苦痛を感じるときなどに、コントラファンの送
風量を強制的に増加せしめることが出来るので好都合で
ある。

次に、本発明の装置の一実施例（第１図）を用いて本
発明方法を実施した一例について説明する。

第２図は、前記の割込スイッチ13を使用せずに全自動
運転で制御した場合のブロック図である。

ステップ１で、坑道の長さに応じた運転モード（Ａ〜
Ｄの何れか一つ）を選択し、 ステップ２でコントラファンを起動し、 ステップ３で自動運転に入らせる。図示の16はコント
ラファンONボタン、17はコントラファンOFFボタンであ
る。

粉塵センサ8a,8bからの信号（粉塵センサに代えてVI
計（図示せず）を設けた場合は該VI計からの信号）は、
比較器14に入力され、最大値を選んで第１表と対照さ
れ、モード固定で最適運転段数を選んで自動運転される
（ステップ15）。

第３図は上記と異なる実施例のブロック図である。本
例は、モード固定で、粉塵濃度（又は煙霧透過率）に応
じて運転段数の切替を行い、かつ、割込スイッチ13によ
る強制的段数制御と、ガスセンサ９の出力信号による動
翼ピッチ制御（翼角モータ2_a-2,3_a-2の制御）を併せ行
った例である。鎖線で囲んで示した部分IIは、第２図に
示した構成部分と同様乃至は類似である。

ガスセンサ９の出力信号により、翼角モータが駆動さ
れて最適動翼ピッチに自動調整される（ステップ18）。
図示の19は、コントラファンの主モータを臨時にオンオ
フする割込ボタンスイッチである。

前述の比較器の指令ブロック図の１例を第４図に示
す。

HL比較器20で、粉塵濃度（又は煙霧透過率）に関する
重（Ｈ），軽（Ｌ）の２つのレベルを設定すると、Ｈ
（重）,M（中）、Ｌ（軽）の区分が出来る。

粉塵センサ8a,8bの出力信号（又は図示しないVI計の
出力信号）は、比較器14の最大値優先回路で最大値を選
定され、H,M,Lいずれであるかを判定される。

一方、翼角モータ2_a-2,3_a-2の回転によって調節され
る動翼ピッチは、ポテンショメータ形の翼角検知器22に
よって検出され、翼角に比例して変化する抵抗値を電流
値変化としてFR比較器23に入力される。

また、比較器14で選択された最適動翼ピッチを表わす
信号は、翼角設定器21を介してFR比較器23に入力され
る。

上記FR比較器は、上記２つの入力信号を比較して、翼
角モータを正，逆いずれに回転させるかを決定し、動翼
ピッチが最適値となるように翼角モータ2_a-2,3_a-2を作
動させる。

図示を省略するが、本発明装置を実施する際セントル
に走行距離計を設けておいて、上記走行距離計の指度に
基づいて坑道長さを推定して、前記Ａ〜Ｄのモード中の
何れか一つを選定するように構成することも出来る。

また、第１図の実施例ではコントラファンをトンネル
入口に設置したが、本発明を実施する際、該コントラフ
ァンをトンネルの途中、若しくはセントルの付近に設け
ることも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の制御方法は、粉塵の濃
度センサ、VI計、及び有害ガスの濃度センサの少なくと
も何れか一つを設け、上記センサの出力信号に基づいて
コントラファンの段数制御を行うので、広い範囲の制御
が可能である。

その上、コントラファンの動翼ピッチ制御を併せて行
うので、無段階の微調整も可能である。

本発明方法は、前記の如くセンサによってトンネル内
の条件変化を検出するので、人手を要せずに24時間監視
が出来、しかも変化に対して即応することが出来る。

特に、作業条件との関係から、格段に良好な視界を確
保したいとか、湿度が高いので換気を良くしてほしいと
かいった要請が有ったときは、割込スイッチ操作によっ
てコントラファンの風量を増加させることが出来る。

また、本発明の制御装置は、粉塵濃度センサ、VI計、
及び有害ガスセンサの少なくとも何れか一つの出力信号
に基づいてコントラファンの段数制御及び動翼ピッチ制
御を行う構造であるから、コントラファンの特長である
広範囲調節機能と微調整機能とを生かした自動制御が可
能であり、例えばインバータ制御などを併用せずに充分
の制御効果を奏するので、高価な構成部材や耐水性に問
題のある構成機器を使用する必要が無い。このため、人
手を要しないで24時間監視を行いつつ、環境条件（粉
塵，煙霧，有害ガスなど）の変化に即応でき、その上、
製造コストが安価で耐水性に優れている。

さらに、優先的にコントラファンの風量を増加させる
割込スイッチを備えているので、作業条件の変化に基づ
く要請に応じて、臨時的に通風風量を増加することも可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る換気設備の制御装置の一実施例の
模式的な説明図である。 第２図及び第３図は本発明に係る換気設備の制御方法の
一実施例における自動運転ブロック図を示し、第２図は
ガスセンサ及び割込スイッチを用いない場合、第３図は
ガスセンサ及び割込スイッチを用いた場合の例である。 第４図は前記実施例における比較器指令ブロック図であ
る。 第５図は本発明が制御の対象とするコントラファンの縦
断面図である。 第６図は上記コントラファンの特性を示す図表、第７図
は上記コントラファンにおける動翼ピッチ変化に伴う特
性曲線の変化を示す図表である。 ２……前段ファン、2a……前段モータ、2_a-1……主モー
タ、2_a-2……翼角モータ、2b……前段モータのステー、
2c……前段翼車、３……後段ファン、3a……後段モー
タ、3_a-1……主モータ、3_a-2……翼角モータ、3b……後
段モータのステー、3c……後段翼車、６……セントル、
７……風管、8a,8b……粉塵センサ（又はVI計）、９…
…有害ガスセンサ、10……風量センサ、13……割込スイ
ッチ、14……比較器、16……ファン起動ボタン、17……
ファン停止ボタン、20……HL比較器、22……翼角検知
器、23……FR比較器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】掘進中のトンネルの入口近傍と、該トンネ
   ルの切羽付近に位置するセントルとの間に風管を設け、
   上記風管の端部及び中間部の少なくとも何れか一方にコ
   ントラファンを接続したトンネル内換気設備を制御する
   方法において、 セントルと切羽との間に、粉塵の濃度を検出する粉塵セ
   ンサ、煙霧透過率を検出するVI計、及び、有害ガスの濃
   度を検出するガスセンサの少なくとも何れか一つを設
   け、上記センサ類の出力信号を自動演算器に入力せしめ
   て、上記自動演算器に予め与えておいたプログラムに従
   って、前記コントラファンの動翼ピッチ制御、及び、該
   コントラファンの段数制御を行ない、 かつ、予めセントルの近傍に割込スイッチを設けてお
   き、作業情況の変化に基づいてコントラファンの送風量
   を増加させる必要を生じた時、上記割込スイッチを手動
   操作して、前記プログラムに優先して、該コントラファ
   ンの運転段数および動翼ピッチを、風量増加方向に作動
   させることを特徴とする、掘進中のトンネル内換気設備
   の制御方法。
2. 【請求項２】掘進中のトンネルの入口近傍と、切羽付近
   に位置するセントルとの間に風管を設け、上記風管の一
   端及び該風管の途中の少なくとも何れか一方にコントラ
   ファンを接続したトンネル内換気設備を制御する装置に
   おいて、 （ａ）セントルと切羽との間に配置されて粉塵の濃度を
   検出する粉塵センサ、セントルと切羽との間に配置され
   て煙霧透過率を検出するVI計、及び、セントルと切羽と
   の間に配置されて有害ガスの濃度を検出するガスセンサ
   の少なくとも何れか一つを設け、 （ｂ）上記少なくとも何れか一つのセンサの出力信号を
   入力されて、前記コントラファンの適正運転段数、及び
   適正動翼ピッチを算出する自動演算器を設け、 （ｃ）前記自動演算器の出力信号に基づいて、前記コン
   トラファンの動翼軸を駆動する２組のモータそれぞれの
   作動をオン・オフ制御する手段を設けると共に、 （ｄ）前記自動演算器の出力信号に基づいて、前記コン
   トラファンの動翼ピッチ調節用モータを正，逆転制御す
   る手段を設け、かつ、 （ｅ）前記セントルの近傍に割込スイッチを設け、セン
   サ類の出力信号に優先せしめて、コントラファンの運転
   段数および動翼ピッチを風量増加方向に手動操作できる
   構造としたことを特徴とする、掘進中のトンネル内換気
   設備の制御装置。