(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
削孔用のロッドを支持するガイドシェルの位置決めを行い、トンネルの切羽に、発破を行う際の爆薬の装填に利用される削孔を穿孔するトンネル施工方法であって、
トータルステーションのレーザー照射により切羽面上の第１照射点Ｐnを照射する工程と、
前記第１照射点Ｐnに姿勢調整可能な、長さがＬである前記ガイドシェルの前記ロッド先端部を当接させる工程と、
前記第１照射点Ｐnを通り穿孔角度θを有する線と、トンネルの仮想中心の軸線との交点をＯnとするとき、線ＰnＯn上であり、かつ、前記第１照射点Ｐnから距離がＬである第２照射点Ｑnを演算する工程と、
前記トータルステーションのレーザー照射により前記第２照射点Ｑnを照射する工程と、
前記ガイドシェルの後端部に設けられたターゲットに、照射点が形成されるように前記ガイドシェルの姿勢を調整することで、第１照射点Ｐnに前記ガイドシェルの前記ロッド先端部が、また、第２照射点Ｑnに前記ガイドシェルの後端部がくるように前記ガイドシェルの姿勢を調整する工程と、
姿勢が調整された前記ガイドシェルの前記ロッドにより削孔を行う工程と、からなることを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項２】
トンネルディスタンスに応じた削孔位置座標が記憶されるトンネル設計データベースを準備する工程と、
前記切羽を複数の領域に分割し、分割した領域に応じてトンネルディスタンスを測定する工程と、
前記トンネル設計データベースと、測定されたトンネルディスタンスとに基づいて、前記第１照射点Ｐnを求める工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のトンネル施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの掘削工事における削孔に用いるのに好適なトンネル施工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばトンネル掘削では、ドリルジャンボなどの削孔機を用いてトンネル切羽面から計画トンネルの軸線に平行する複数の発破孔を削孔し、この発破孔に雷管や爆薬、込め物を装填して、爆薬の爆発エネルギーにより地山（地盤）を掘削することが行なわれている。また、発破孔を例えば４〜５ｍ程度の長孔で形成しこの長孔内に爆薬を分散装薬し、一度に大量の岩盤（地盤）を掘削する、いわゆる長孔発破によって効率よく掘削することが行なわれている。このような長孔発破を行うにあたっては、削孔は、計画トンネルの軸線に対して所定の角度を持たせることが好ましい。
【０００３】
また、ドリルジャンボなどの削孔機の位置決めに際しては、ドリルジャンボにおける削孔用ロッドを支持するガイドシェルの位置決めを行う必要があるが、このための方法としては、削岩機を支持するガイドシェル、ブームの各関節に各種のセンサ（回転角センサ、変位センサ、近接センサ等）を取付けて、ドリルジャンボの基準点の位置を基に各関節の移動量、角度のデータをコンピュータにて演算処理を行い、削岩機の位置決め座標を算出するとともに、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構により、前記位置決め座標まで削岩機を自動的に移動させる穿孔位置決め方法が採用されるようになってきた。このような位置決めを行う作業機としては、特開２００１−７３４１２号公報に開示されているものがある。
【特許文献１】特開２００１−７３４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のトンネル施工方法において用いられる、各種センサ付きのドリルジャンボは非常に高価であり、このようなドリルジャンボを現場に導入することでトンネル施工を行うと、施工のコストが上昇してしまう、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記のような問題を解決するために、請求項１に係る発明は、削孔用のロッドを支持するガイドシェルの位置決めを行い、トンネルの切羽に、発破を行う際の爆薬の装填に利用される削孔を穿孔するトンネル施工方法であって、トータルステーションのレーザー照射により切羽面上の第１照射点Ｐnを照射する工程と、前記第１照射点Ｐnに姿勢調整可能な、長さがＬである前記ガイドシェルの前記ロッド先端部を当接させる工程と、前記第１照射点Ｐnを通り穿孔角度θを有する線と、トンネルの仮想中心の軸線との交点をＯnとするとき、線ＰnＯn上であり、かつ、前記第１照射点Ｐnから距離がＬである第２照射点Ｑnを演算する工程と、前記トータルステーションのレーザー照射により前記第２照射点Ｑnを照射する工程と、前記ガイドシェルの後端部に設けられたターゲットに、照射点が形成されるように前記ガイドシェルの姿勢を調整することで、第１照射点Ｐnに前記ガイドシェルの前記ロッド先端部が、また、第２照射点Ｑnに前記ガイドシェルの後端部がくるように前記ガイドシェルの姿勢を調整する工程と、姿勢が調整された前記ガイドシェルの前記ロッドにより削孔を行う工程と、からなることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のトンネル施工方法において、トンネルディスタンスに応じた削孔位置座標が記憶されるトンネル設計データベースを準備する工程と、前記切羽を複数の領域に分割し、分割した領域に応じてトンネルディスタンスを測定する工程と、前記トンネル設計データベースと、測定されたトンネルディスタンスとに基づいて、前記第１照射点Ｐnを求める工程と、をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のトンネル施工方法によれば、各種センサが搭載されていないドリルジャンボであっても、基本的にトータルステーションを導入するだけで、ガイドシェルの位置決めを
簡便に行うことが可能となるので、トンネル施工のコストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係るトンネル施工方法を説明する図である。
【図２】トンネル設計データベースにおける削孔位置データのデータ構造のイメージ図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るトンネル施工方法における穿孔角度を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るトンネル施工方法における削孔作業の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態に係るトンネル施工方法におけるガイドシェルの姿勢調整方法を説明する図である。
【図６】基準面からの不陸がある場合の問題点を説明する図である。
【図７】切羽の領域分割を説明する図である。
【図８】それぞれの削孔位置座標Ｐnが属する分割領域を示す図である。
【図９】本発明の他の実施の形態に係るトンネル施工方法における領域別ＴＤ取得作業の手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係るトンネル施工方法における削孔作業の手順を示すフローチャートである。
【図１１】分割された領域の面積と削孔誤差平均との間の相関関係の傾向を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施の形態に係るトンネル施工方法を説明する図である。本発明の実施の形態に係るトンネル施工方法は、特に、発破を行う際の爆薬等の装填に利用される削孔を穿孔する上で、削孔用のロッド１３を支持するガイドシェル１１の効率的な位置決めを行うための技術である。
【００１０】
図１はトンネルTにおいて、ドリルジャンボ１０によって切羽に削孔を設ける施工の様
子を示している。
【００１１】
ドリルジャンボ１０には、削孔を行うロッド１３が搭載されたガイドシェル１１の姿勢を自在に制御する可能なアームやブームが設けられている。これらの駆動機構についての詳細については省略する。
【００１２】
ガイドシェル１１には、ガイドシェル１１の長手方向に挿通され、岩盤を穿ちつつ削孔を行うロッド１３が設けられている。図１に示す状態では、ロッド１３の先端（ビット）が切羽面上の点Ｐnに当接した状態を示している。一方、ガイドシェル１１の長手方向の
後端部には、後述するようなトータルステーション２０から照射されるレーザー光によって、照射点を形成するターゲット１５が設けられている。
【００１３】
既知の位置に設置されたトータルステーション２０は、あらかじめプログラムされた点を通過するレーザー光を照射可能なレーザーガイド付きモータードライブノンプリズムトータルステーションであり、例えば、ソキアトプコン社製ＮＥＴ１などを用いることができる。
【００１４】
トータルステーション２０は、パーソナルコンピューター３０などの一般的な情報処理装置とデータ通信可能に接続されており、例えば、パーソナルコンピューター３０から指定された位置座標に向けて、レーザー光を照射することができるようになっている。
【００１５】
パーソナルコンピューター３０の記憶手段には、トンネル設計データベース３５が設けられており、例えば、所定のトンネルディスタンス（ＴＤ）における削孔位置座標Ｐnに
係るデータなどが記憶されるようになっている。
【００１６】
また、パーソナルコンピューター３０には、後述する位置座標Ｑnなどを算出するため
の所定の演算を行い得るようになっている。
【００１７】
図２は上記のようなトンネル設計データベース３５における削孔位置データのデータ構造のイメージ図であり、トンネル設計データベース３５においては、各トンネルディスタンス（ＴＤ）に応じた削孔位置座標（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3，・・・ＰN-1，ＰN）を記憶してい
る。
【００１８】
図３は本発明の実施の形態に係るトンネル施工方法における穿孔角度θを説明する図であり、トンネルＴの側面を見た図である。発破を行う際の爆薬等の装填に利用される孔としては、トンネル軸線に対して所定の角度を持たせることが好ましく、ロッド１３によって削孔する方向は、例えば、図３に示すようにトンネル軸線に対して穿孔角度θとなるように計画される。このために、ロッド１３によって削孔を実際に行う前段に、ロッド１３を搭載するガイドシェル１１を、図３に示すような規定の姿勢とする必要がある。ここで、削孔位置Ｐnで穿孔を行う際に、位置決めされるガイドシェル１１の後端部の位置座標
をＱnとして規定する。
【００１９】
上記のような位置座標Ｑnを演算するための方法の概略について説明する。削孔位置Ｐnを通り穿孔角度θを有する線と、トンネルTの仮想中心の軸線との交点をＯnとする。ガイドシェル１１の長さはLとすると、位置座標Ｑnは、線ＰnＯn上であり、かつ、位置座標Ｐnから距離がＬである位置座標として演算する。
【００２０】
次に、以上のような構成の下で、ドリルジャンボ１０により削孔を行う作業の手順について説明する。図４は本発明の実施の形態に係るトンネル施工方法における削孔作業の手順を示すフローチャートである。
【００２１】
ステップＳ１００で、作業開始が開始されると、まず、ステップＳ１０１では、ｎに１がセットされる。
【００２２】
続いて、ステップＳ１０２では、トンネルディスタンス（ＴＤ）に基づき、トンネル設計データベース３５を参照して、位置座標Ｐnを取得する。次の、ステップＳ１０３では
、図３に示す方法で、座標Ｐn、座標Ｏn及びガイドシェル１１の長さＬから、座標Ｑnを
演算する。
【００２３】
まず、ステップＳ１０４では、トータルステーション２０によって、座標Ｐnに向けて
レーザー照射を行う。ステップＳ１０５では、切羽に形成されるレーザー光の照射点にロッド１３先端を当接させる。
【００２４】
続いて、ステップＳ１０６では、トータルステーション２０から座標Ｑnに向けてレー
ザー光を照射する。そして、ステップＳ１０７では、ガイドシェル１１の後端部のターゲット１５に照射点が一致するようにガイドシェル１１の姿勢を調整する。
【００２５】
以上のように、座標Ｐnにガイドシェル１１の先端部が、また、座標Ｑnにガイドシェル１１の後端部がくるようにガイドシェル１１の姿勢が調整されると、ガイドシェル１１から打ち込まれるロッド１３の穿孔角度θとなるようにすることができる。
【００２６】
なお、特許請求の範囲においては、座標Ｐnを「第１照射点」、また、座標Ｑnを「第２照射点」として表現している。
【００２７】
ステップＳ１０８では、上記のような姿勢が調整されたガイドシェル１１からロッド１３を岩盤に打ち込むことで、削孔作業を実行する。
【００２８】
ステップＳ１０９ではｎ＜Ｎであるか否かが判定され、判定がＮＯであれば、ステップＳ１１０に進み、ｎが１インクリメントされる。また、判定がＹＥＳであれば、当該ＴＤにおける全ての削孔が完了したこととなるので、ステップＳ１１１に進み、作業を終了する。
【００２９】
以上のような、本発明のトンネル施工方法によれば、各種センサが搭載されていないドリルジャンボであっても、基本的にトータルステーション２０を導入するだけで、ガイドシェル１１の位置決めを簡便に行うことが可能となるので、トンネル施工のコストを抑制することができる。
【００３０】
また、以上の実施形態では、切羽面に、発破用の削孔を穿つためのガイドシェル１１の位置決めを例に説明したが、本発明のトンネル施工方法は、例えば、フォアパイリングの削孔のためのガイドシェル１１の位置決めにも応用することができる。
【００３１】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。実際の切羽面は基準であるトンネルディスタンス（ＴＤ）が一定ではなく、凹凸を有する不陸面からなる。まず、凹凸を有する不陸面である場合の問題点を図６により説明する。
【００３２】
図６において、基準面を点線、実際の切羽面を実線で表示する。（ａ）は、基準面に基づいて求められた座標Ｐn及び座標Ｑnに対してトータルステーション２０からレーザー光を照射して、ガイドシェル１１の姿勢を調整する場合である。実際の切羽面は実線のように凹凸を有する不陸面からなるのでガイドシェル１１は（ａ）で示す姿勢をとることはできない。トータルステーション２０から座標Ｐnに向けて照射されたレーザー光は座標Ｐn’にあたってしまい、ガイドシェル１１の先端部は座標Ｐn’に当接されることとなる。
さらに、トータルステーション２０から座標Ｑnに向けて照射されたレーザー光に基づい
て、ガイドシェル１１の後端部のターゲット１５に照射点が形成されるようにガイドシェル１１の姿勢を調整すると、ガイドシェル１１の後端部は座標Ｑn’にくることとなる。
このように、凹凸を有する実際の切羽面に基づいて調整された、ガイドシェル１１の姿勢は図６の（ｂ）となり、削孔位置に誤差を生じてしまうこととなる。
【００３３】
上記（ａ）と（ｂ）のような誤差を解消するためには、凹凸を有する不陸面の各削孔点毎に実際のトンネルディスタンス（ＴＤ’）を計測する必要がある。しかしながら削孔点は、およそ単位面積（ｍ2）当たり１．５箇所程度あり、一般的なトンネル断面（７０〜
１２０ｍ2）では、削孔点が１００点を超えるため、トータルステーション２０により全
点数を計測しようとすると、その測定時間は１時間以上となってしまう。
【００３４】
そこで、他の実施形態においては、約１００ｍ2の面積を有する実切羽を、例えば図７
に示すような１０の領域に分割して、それぞれの領域ごとのトンネルディスタンス（ＴＤ’）をあらかじめ、トータルステーション２０を用いて計測しておき、上記のようなガイドシェル１１の姿勢のずれを最低限に抑制するようにしている。このようにガイドシェル１１の姿勢のずれを最低限に抑制することができるのは、分割された領域におけるトンネルディスタンス（ＴＤ’）が、ほぼ同様であるものと仮定することが可能であるからである。
【００３５】
図１１は分割された領域の面積と削孔誤差平均との間の相関関係の傾向を示す図である。ここで、図１１における分割された領域の面積は、切羽断面積を領域の分割数で除したものである。また、削孔誤差は、ガイドシェル１１の先端部が実切羽面に当接した座標Ｐn’を、基準面に対し当該基準面と垂直な方向に投影したときに生じる点と、基準面にお
ける座標Ｐnとの間の距離Δｄであり（図６参照）、削孔誤差平均は、当該削孔誤差Δｄ
の平均値である。
【００３６】
一般的なトンネル断面（７０〜１２０ｍ2）に対して、想定しているトンネルの１発破
あたりの掘削長は１．５〜６．５ｍである。ガイドシェル１１の姿勢のずれを最低限に抑制するには、図１１に示すように１０〜２０ｍ2当たり１箇所程度のトンネルディスタン
ス（ＴＤ’）を測定すれば、掘削位置の誤差は大幅に低減することが可能となる。
【００３７】
図７は切羽の領域分割を説明する図であり、このような分割領域に伴い、図８に示すように、それぞれの削孔位置座標Ｐnはいずれかの分割領域に属することとなる。これらの
事項は、トンネル設計データベース３５にも記憶させるようにする。
【００３８】
なお、本実施形態では、実切羽を１０の領域に分割する例に基づいて説明するが、分割する領域数がこれに限定されるわけではない。また、当然、本実施形態における領域分割とは、仮想的なものであること付言しておく。
【００３９】
以上のように、実切羽を領域分割した後に、それぞれの領域（ｍ）のトンネルディスタンスＴＤmをトータルステーション２０を用いて測定する作業を実施する。図９は本発明
の他の実施の形態に係るトンネル施工方法における領域別ＴＤ（トンネルディスタンス）取得作業の手順を示すフローチャートである。
【００４０】
図９において、ステップＳ２００で、領域別ＴＤ取得作業が開始されると、続いて、ステップＳ２０１では、ｍに１をセットする。次に、ステップＳ２０２では、トータルステーション２０により、領域（ｍ）上の適当な数点における位置座標を取得する。
【００４１】
ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２で取得した位置座標の平均値から領域（ｍ）のトンネルディスタンスＴＤmを算出し、ステップＳ２０４で、算出したＴＤmをパーソナルコンピューター３０などに記憶させる。
【００４２】
ステップＳ２０５では、ｍ＜１０であるか否かが判定され、当該判定がＮＯである場合、ステップＳ２０６に進み、ｍを１インクリメントとする。当該判定がＹＥＳである場合には、ステップＳ２０７に進み、領域別ＴＤ取得作業を終了する。
【００４３】
次に、以上のように領域別ＴＤ取得作業の後に実行するドリルジャンボ１０により削孔を行う作業の手順について説明する。図１０は本発明の他の実施の形態に係るトンネル施工方法における削孔作業の手順を示すフローチャートである。
【００４４】
ステップＳ３００で、作業開始が開始されると、まず、ステップＳ３０１では、ｎに１がセットされる。
【００４５】
続いて、ステップＳ３０２では、座標Ｐnが属する領域（ｍ）に係る情報を取得する。
ステップＳ３０３では、トンネルディスタンス（ＴＤm）に基づき、トンネル設計データ
ベース３５を参照して、位置座標Ｐnを取得する。次の、ステップＳ３０４では、図３に
示す方法で、座標Ｐn、座標Ｏn及びガイドシェル１１の長さＬから、座標Ｑnを演算する
。
【００４６】
まず、ステップＳ３０５では、トータルステーション２０によって、座標Ｐnに向けて
レーザー照射を行う。ステップＳ３０６では、切羽に形成されるレーザー光の照射点にロッド１３先端を当接させる。
【００４７】
続いて、ステップＳ３０７では、トータルステーション２０から座標Ｑnに向けてレー
ザー光を照射する。そして、ステップＳ３０８では、ガイドシェル１１の後端部のターゲット１５に照射点が形成されるようにガイドシェル１１の姿勢を調整する。
【００４８】
以上のように、座標Ｐnにガイドシェル１１の先端部が、また、座標Ｑnにガイドシェル１１の後端部がくるようにガイドシェル１１の姿勢が調整されると、ガイドシェル１１から打ち込まれるロッド１３の穿孔角度θとなるようにすることができる。
【００４９】
なお、特許請求の範囲においては、座標Ｐnを「第１照射点」、また、座標Ｑnを「第２照射点」として表現している。
【００５０】
ステップＳ３０９では、上記のような姿勢が調整されたガイドシェル１１からロッド１３を岩盤に打ち込むことで、削孔作業を実行する。
【００５１】
ステップＳ３１０ではｎ＜Ｎであるか否かが判定され、判定がＮＯであれば、ステップＳ３１１に進み、ｎが１インクリメントされる。また、判定がＹＥＳであれば、当該ＴＤにおける全ての削孔が完了したこととなるので、ステップＳ３１２に進み、作業を終了する。
【００５２】
以上のような、他の実施形態に係るトンネル施工方法によれば、各種センサが搭載されていないドリルジャンボであっても、基本的にトータルステーション２０を導入するだけで、ガイドシェル１１の位置決めを簡便に行うことが可能となるので、トンネル施工のコストを抑制することができる。さらに、実切羽を領域分けすることで、より正確にガイドシェル１１を位置決めでき、正確な削孔を穿孔することが可能となる。
【符号の説明】
【００５３】
１０・・・ドリルジャンボ
１１・・・ガイドシェル
１３・・・ロッド
１５・・・ターゲット
２０・・・トータルステーション
３０・・・パーソナルコンピューター
３５・・・トンネル設計データベース
【図１】
0005642652.tif 000002
【図２】
0005642652.tif 000003
【図３】
0005642652.tif 000004
【図４】
0005642652.tif 000005
【図５】
0005642652.tif 000006
【図６】
0005642652.tif 000007
【図７】
0005642652.tif 000008
【図８】
0005642652.tif 000009
【図９】
0005642652.tif 000010
【図１０】
0005642652.tif 000011
【図１１】
0005642652.tif 000012