(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発破対象領域上で移動する移動ユニット；
前記移動ユニットに搭載された多関節ロボットアーム；
前記ロボットアームの先端に装着されたウォータージェットノズル；
高圧水とともに研磨剤を前記ウォータージェットノズルに供給する供給部；及び
前記移動ユニット、ロボットアーム及びウォータージェットノズルを制御する制御部；
掘削対象面に塗布された所定の色相ラインを認識するライン認識手段；
を含み、
前記制御部は、ウォータージェットノズルが前記ライン認識手段によって認識した前記ラインを追従するように前記ロボットアームを制御する、
ウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項２】
前記ラインは破砕パターンである、請求項１に記載のウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項３】
前記ウォータージェットノズルによる掘削対象面の破砕パターンはアーチ形パターンであることを含む、請求項１又は２に記載のウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項４】
前記破砕パターンは、
アーチ形パターンを基本とし、ジグザグパターンが複合されたパターンであることをさらに含む、請求項３に記載のウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項５】
前記ウォータージェットノズルは、
前記高圧水による自由面の破砕深さを測定する深さセンサー部；を含み、
前記制御部は前記破砕深さを用いて前記ロボットアーム及び供給部を制御する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項６】
前記ウォータージェットノズルは、
前記高圧水に対する自由面の破砕幅を測定する幅センサー部；を含み、
前記制御部は、前記破砕幅を用いて前記ロボットアーム及び供給部を制御する、請求項５に記載のウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項７】
前記深さセンサー部は、
レーザーを基盤とする、請求項５に記載のウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項８】
前記幅センサー部は、
レーザーを基盤とする、請求項６に記載のウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項９】
前記ウォータージェットノズルは、
多数のロボットアームに伸縮可能に装着され、掘削対象面を破砕する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項１０】
発破対象領域上で移動する移動ユニット；
前記移動ユニットに搭載された多関節ロボットアーム；
前記ロボットアームの先端に装着されたウォータージェットノズル；
高圧水とともに研磨剤を前記ウォータージェットノズルに供給する供給部；及び
前記移動ユニット、ロボットアーム及びウォータージェットノズルを制御する制御部；
を含み、
前記ウォータージェットノズルは、
前記高圧水による自由面の破砕深さを測定する深さセンサー部；を含み、
前記制御部は前記破砕深さを用いて前記ロボットアーム及び供給部を制御する、
ウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項１１】
前記深さセンサー部は、
レーザーを基盤とする、請求項１０に記載のウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項１２】
発破対象領域上で移動する移動ユニット；
前記移動ユニットに搭載された多関節ロボットアーム；
前記ロボットアームの先端に装着されたウォータージェットノズル；
高圧水とともに研磨剤を前記ウォータージェットノズルに供給する供給部；及び
前記移動ユニット、ロボットアーム及びウォータージェットノズルを制御する制御部；
を含み、
前記ウォータージェットノズルは、
前記高圧水に対する自由面の破砕幅を測定する幅センサー部；を含み、
前記制御部は、前記破砕幅を用いて前記ロボットアーム及び供給部を制御する、
ウォータージェットを用いた掘削システム。
【請求項１３】
前記幅センサー部は、
レーザーを基盤とする、請求項１２に記載のウォータージェットを用いた掘削システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は爆薬発破基盤のトンネル掘削技術に係り、具体的にはトンネル掘削過程で発生する発破による衝撃あるいは振動の伝播を抑制するための技術に関する。より具体的には、ウォータージェットを用いてトンネルの外周面に沿って一連の連続した空間、いわゆる自由面を形成することで、発破時の振動が地表面に伝播されないようにするウォータージェットを用いた掘削システム及びこれを用いた掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建設及び土木工事、特に地下トンネルの掘削には爆薬を用いた発破工程が頻繁に行われている。発破工程は、岩盤やその他の障害物を爆薬の爆発力によって効率よく除去することができるという利点はあるが、発破の際に不可避に発生する振動と騷音が地表面に伝わって建物や各種の構造物に良くない影響を及ぼす。言い換えれば、発破工程において、爆源から伝播される衝撃波は距離によって著しく減殺するが、この際に発生するエネルギーの一部は弾性波の形態で伝播されながら地盤の振動（発破振動、ｂｌａｓｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）を引き起こす。爆源に比較的近接した距離に建物や地下鉄施設物がある場合には深刻な問題として拡大するおそれがある。
【０００３】
前述した発破振動を抑制するための先行技術を説明すれば次のようである。まず、特許文献１のライン掘削孔を用いた発破振動遮断のための掘削構造及び工法は、掘削される岩盤のうち発破のための領域周辺に２列以上のライン掘削孔を穿孔し、各列のライン掘削孔を互いにずれるように配置する技術を開示している。また、特許文献２のトンネル発破工法は、トンネルの外側部から離隔して穿孔された大口径の無装着孔、これら無装着孔の間に配置されるように穿孔された亀裂誘導孔、無装薬孔の内側に穿孔された多数の拡大孔を用いた技術を開示している。
【０００４】
これらの先行技術の共通点は、トンネルの進行方向に穿孔された複数の孔を発破時の振動抑制手段として活用することにある。しかし、複数の孔を穿孔すると言っても、孔と孔の間には連結領域が存在する。この連結領域を介して伝播される発破振動は遮断することができない。すなわち、先行技術が活用している穿孔は不完全な振動抑制手段である。
【０００５】
また、従来のトンネル発破工法は、発破によって隣接した岩盤にダメージゾーンを形成させることで、トンネルの崩壊を引き起こす問題点を持っている（図２１参照）。特に、発破力が高い場合、計画されたトンネル空間よりもたくさん掘られて余掘りが発生すれば、空間にショットクリート(shotcrete)をたくさん打ち込まなければならない問題点を持っている。一方、発破力が足りない場合、あたりが発生して掘削機または掘岩機などを用いた追加の作業が必要であった。
【０００６】
従来のトンネル掘削は、ジャンボドリルを用いて多数の装薬孔を作り、該当の部分に火薬を入れて爆破する方式を取っている。装薬孔は１回に百あまりのものが要求され、装薬孔の形成のための作業はジャンボドリル運転手が手動で操作しているため、作業能率の改善が要求されている。
【０００７】
一般に、トンネルを掘削するにあたり、トンネルの崩壊などを防止するために、掘削前方地域の岩盤状態を点検する多様な前方予測方法が登場しているが、実質的な検査ではなく、岩盤性質による抵抗値測定のような間接的な検査でなされるため、検査の信頼性が落ち、掘削中のトンネル崩壊のような問題点を持っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】大韓民国登録特許第０５３１９８５号明細書
【特許文献２】大韓民国登録特許第０５９９９８２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した従来問題点を解決するための本発明の目的は、掘削過程で発生する発破による衝撃、振動及び騷音の伝達を効果的に抑制するウォータージェット装備及び掘削方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の目的は、トンネルの発破によって発生するあたりや余掘りを発生させないようにすることにある。
【００１１】
また、本発明の目的は、発破によるダメージゾーンの形成を最小化してトンネルの安全性を増進させることにある。
【００１２】
また、本発明の目的は、トンネルを掘削するにあたり、作業効率を極大化して効果的な雑業がなされるようにすることにある。
【００１３】
また、本発明の目的は、トンネルの前方掘削地点に対して実質的な検査を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記技術的課題を解決するための本発明のウォータージェットを用いた掘削システム及びこれを用いた掘削方法は、
本発明を案出した発明者は、先行技術の問題点で現れた穿孔された孔の間に存在する連結領域を必ず除去しなければならない有害要素と見なし、トンネルの外周面に沿って一連の連続した空間である自由面の形成を最良案に定義した。この最良案を具現するための主要解決手段はウォータージェット（ｗａｔｅｒ ｊｅｔ）技術と研磨剤の導入である。
【００１５】
具体的に、本発明のウォータージェットシステムは、トンネル掘削のための発破対象領域に向かって前後移動する移動ユニットと、前記移動ユニットに搭載された多関節ロボットアームと、前記ロボットアームの先端に装着されたウォータージェットノズルと、高圧水を前記ウォータージェットノズルに供給する供給部と、前記移動ユニット、ロボットアーム及びウォータージェットノズルを制御する制御部とを含む。好ましくは、ウォータージェットノズルは水とともに研磨剤を噴射することができる。
【００１６】
本発明のウォータージェットノズルは、前記高圧水による掘削対象面の破砕深さを測定する深さセンサー部；を含み、前記制御部は、前記破砕深さを用いて前記ロボットアーム及び供給部を制御することを特徴とする。
【００１７】
また、前記ウォータージェットノズルは、前記高圧水に対する掘削対象面の破砕幅を測定する幅センサー部；を含み、前記制御部は、前記破砕幅を用いて前記ロボットアーム及び供給部を制御する。
【００１８】
前述した構成を持つウォータージェットシステムによってトンネル掘削方向に発破対象領域の外側に所定深さの自由面が形成される。自由面が形成された後、発破対象領域に装薬して発破する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、自由面によって発破時の振動伝播を効果的に抑制することができる。
【００２０】
また、発破時の余掘りが減少するので、追加の補強工事コストを減らすことができる。
【００２１】
また、あたりが発生しなくて追加の作業が不要となり、発破によるダメージゾーンの形成を最小化してトンネルの安全性を増進させることができ、作業効率を増進させることができる効果がある。
【００２２】
また、トンネル掘削前方地域に対する実質的な地質分析が可能であるので、トンネル工事の安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例によるトンネル掘削用ウォータージェットシステムの構成図である。
【図２】本発明の一実施例によるトンネル掘削用ウォータージェット装備を示す図である。
【図３】本発明の一実施例によるトンネル掘削用ウォータージェット装備の動きを示す図である。
【図４】本発明の一実施例によるトンネル掘削用ウォータージェットノズルを示す図である。
【図５】本発明の一実施例による多関節ロボットアームの自由度を例示した図である。
【図６】本発明のウォータージェットシステムによって形成される自由面を説明するための例示図である。
【図７】本発明のウォータージェットシステムによって形成される破砕パターンのラインを説明するための例示図である。
【図８】本発明の他の一実施例によるトンネル掘削用ウォータージェット装備を示す図である。
【図９】本発明のウォータージェットシステムを用いたトンネル掘削方法を説明するための図である。
【図１０】本発明による自由面が形成された掘削対象面の装薬孔を示す図である。
【図１１】本発明のさらに他の一実施例によるフレーム型トンネル掘削用ウォータージェット装備を示す図である。
【図１２】図１１のウォータージェットシステムによって形成される自由面を説明するための例示図である。
【図１３】３次元有限要素解釈モデルを示す図である。
【図１４】時間による発破圧力をシミュレーションした図である。
【図１５】ＸＹＺ方向の合成変位をシミュレーションした図である。
【図１６】水平方向変位をシミュレーションした図である。
【図１７】鉛直方向変位をシミュレーションした図である。
【図１８】最外側孔１Ｍ上端での時間による鉛直変位変化を示す図である。
【図１９】発破地点上端での鉛直方向変位を示す図である。
【図２０】発破地点上端での鉛直方向変位を示す図である。
【図２１】従来及び本技術によるトンネル掘削概念図である。
【図２２】垂直方向数値解釈のためのモデルを示す図である。
【図２３】垂直方向変位に対するシミュレーション値を示す図である。
【図２４】垂直方向変位に対する最大変位を測定したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、
発破対象領域上で移動する移動ユニット；
前記移動ユニットに搭載された多関節ロボットアーム；
前記ロボットアームの先端に装着されたウォータージェットノズル；
高圧水を前記ウォータージェットノズルに供給する供給部；及び
前記移動ユニット及びロボットアームとウォータージェットノズルを制御する制御部；
を含む、ウォータージェットを用いた掘削システムを提供することにより、前述した目的を達成した。
【００２５】
以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は通常的または辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自分の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に従って本発明の技術的思想に合う意味と概念に解釈されなければならない。
【００２７】
したがって、本明細書に記載された実施例と図面に示した構成は本発明の最良の一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想の全部を示すものではないので、本発明の出願時点においてこれらを取り替えることができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００２８】
図１は本発明の一実施例によるトンネル掘削用ウォータージェットシステム構成図である。図示のように、本発明によるウォータージェット装備６００を用いた掘削システムは、具体的にはトンネル掘削過程で発生する発破による衝撃あるいは振動の伝播を抑制するための技術に係わる。より具体的には、ウォータージェット装備６００を用いて掘削対象面１０の外周面（トンネル計画面：図２１参照）に沿って一連の連続した空間、いわゆる自由面２０を形成することで、発破時の振動が地表面に伝播されないようにするウォータージェット装備６００を用いた掘削システムに関するものである。
【００２９】
図１〜図３を参照すれば、本発明の一実施例によるウォータージェット装備６００は、大別して移動ユニット１００、多関節ロボットアーム２００、ウォータージェットノズル３００、供給部４００及び制御部５００を含んでなる。
【００３０】
移動ユニット１００は、掘削対象領域上で掘削方向に前後移動可能な移動手段である。具体的に、移動ユニット１００は、本発明のウォータージェット装備６００の前後左右の自由移動ができるようにする構成要素である。移動ユニット１００は多数の車輪または無限軌道の形態で具現できる。このような移動ユニット１００は、発破対象領域である掘削対象面１０の前方に配置されてトンネル掘削方向に沿って移動可能であり、移動対象体はウォータージェットノズル３００を備えた多関節ロボットアーム２００である。
【００３１】
前記多関節ロボットアーム２００は、移動ユニット１００に搭載された多関節構造の形態を持つ。多関節ロボットアーム２００は移動ユニット１００の上部に搭載され、その先端に装着されたウォータージェットノズル３００の空間上移動のための支持部としての機能を有する。
【００３２】
前記多関節ロボットアーム２００の関節はウォータージェットノズル３００の反発力あるいは反作用に耐えなければならないので、油圧方式で構成されることが好ましい。参考として、図２に示したウォータージェット装備６００は、岩盤の破砕及び切削工程がいずれも水平（以下、水平工程）になされるものとして例示されているが、本発明のウォータージェット装備６００に採用された多関節ロボットアーム２００の特性上、水平工程だけではなく垂直工程を包括する。また、図２または図３には多関節ロボットアーム２００が一つ図示されているが、必要によって多数のロボットアームが装着されて運営されることができる。
【００３３】
前述したように、前記多関節ロボットアーム２００の先端にはウォータージェットノズル３００が装着される。ウォータージェットノズル３００は複数が採用されても良い。ウォータージェットノズル３００は前後に伸縮可能な形態に構成できる。図４を参照すれば、所定長さを有する棒状のウォータージェットノズル３００が支持フレーム２２０に装着されている。このウォータージェットノズル３００の伸縮長さは制御部５００によって制御できる。トンネルの掘削において、１回発破のために要求される深さは岩盤などの地質特性によって違うが、一般的に２〜３ｍであり、ノズル３００の伸縮可能長さはこれをカバーするように製作される。
【００３４】
また、前記ウォータージェットノズル３００は、ウォータージェット装備６００から噴射される水の破壊力を地盤に充分に伝達するために、ウォータージェットノズル３００の一部が回転するように回転部を構成することができる。
【００３５】
ウォータージェットノズル３００の一側には、切削された深さと幅を測定することができる深さセンサー部３１０及び幅センサー部３２０を含む。具体的に、前記ウォータージェットノズル３００は高圧水による自由面２０の破砕深さを測定する深さセンサー部３１０を含み、前記制御部５００は前記破砕深さを用いて多関節ロボットアーム２００及び供給部４００を制御する。また、ウォータージェットノズル３００は高圧水による自由面２０の破砕幅を測定する幅センサー部３２０を含み、制御部５００は前記破砕幅に基づいて多関節ロボットアーム２００及び供給部４００を制御する。このような深さセンサー部３１０と幅センサー部３２０は、レーザーを基にして構成されることができる。
【００３６】
ロボットアーム２００はノズルの傾斜角調節及び長さ調節のための多数の姿勢制御センサーを備え、検出値によってノズルをリアルタイムに制御するようにする。また、作業中にノズルが自由面内に進入した状態で岩盤が崩壊される場合、これを検出するためのセンサーを備えている。
【００３７】
ウォータージェットノズル３００は岩盤から一定距離を維持しながらノズル３００を前後に伸縮するように動作させなければならなく、距離センサー３１０及び幅センサー部３２０によって岩盤が破砕されることをリアルタイムに測定し、岩盤とノズル３００が最適距離を維持するようにする。一般的に、岩盤とノズルの離隔距離は１０ｃｍ前後で最適の性能を発揮することが測定された。
【００３８】
下記の表はノズルの状態及び離隔距離などによる自由面形成時間を実験で測定した値である。実験は、二つのノズルを対にして結合角度（側面でノズルが結合された場合、ノズル間の角度）を７．１と３．８度にして実験し、岩盤との離隔距離及びノズルの移動速度（前後進伸縮は行わなくて左右直線移動だけ実施）によって実験した値である。
【００３９】
【表１】
0005721842.tif 000002
【００４０】
【表２】
0005721842.tif 000003
【００４１】
【表３】
0005721842.tif 000004
【００４２】
上記表において、切削形態は、対でなったノズルを用いて実験する場合、岩盤とノズルの離隔距離によって発生する切削形態を示したものである。
【００４３】
実験の条件は下記の表のようである。
【００４４】
ウォータージェットポンプ
高流量ウォータージェット装備の使用
【００４５】
【表４】
0005721842.tif 000005
【００４６】
オリフィス
Ｎｏ ２４ オリフィス使用（直径０．０６１ｃｍ、８．８リットル／分＠２５００ｂａｒ）
フォーカシングノズル
ノズルチップの内径：０．０９ｉｎｃｈ＝２．２９ｍｍ
実験圧力と研磨剤投入量
実験圧力：２５００ｂａｒ
研磨剤投入量：５７ｇ／ｓ（個当り）
一方、供給部４００は高圧水を生成してウォータージェットノズル３００に供給する。供給部４００は研磨剤を高圧水とともにウォータージェットノズル３００に供給することができる。この研磨剤は砂などの粒子と理解してもかまわない。ウォータージェットノズル３００に供給された研磨剤は高圧水によって加速され、水とともに掘削対象面１０の破砕及び切削の効率を高める。もちろん、ウォータージェットノズル３００を通じて噴射される水の圧力と研磨剤の投入量は制御部５００によって調節可能である。
【００４７】
前述したように、本発明の制御部５００は、移動ユニット１００及び多関節ロボットアーム２００とウォータージェットノズル３００を制御する。制御部５００は、ウォータージェットノズル３００と多関節ロボットアーム２００が構成された移動ユニット１００の移動を制御し、ウォータージェットノズル３００の回転部の回転速度及びウォータージェットノズル３００から噴射される水の圧力及び方向を制御する。
【００４８】
一方、本発明のウォータージェット装備６００を用いて掘削対象面１０に自由面２０を形成するように破砕するために、掘削対象面１０に塗布された所定の色相ライン（Ｌ）を認識するライン認識手段２１０をさらに含む。このような認識は、作業者が前もって予想トンネル計画面によるラインを塗布し、装備が画像認識によって自動で該当のラインを認識して自由面形成のための装備６００の動作を制御する方式でなされることができる。
【００４９】
装備６００が自由面を形成する位置を自動で認識する方法は、前記画像認識に係わる方法以外に下記のようになされることができる。
【００５０】
トンネルの入口側に多数の位置測定端末機（好ましくは、三つ以上）を設置する。位置測定端末機は、衛星からの信号を検出して自分の位置を獲得し、それぞれの端末機は自分の位置に関連した情報を含んでトンネルの内側に位置情報を送出する。装備６００は、位置測定端末機から受信される位置情報を分析して端末機のそれぞれとの距離情報及び端末機の位置情報を獲得し、演算によって自分の３次元位置を認識する。その後、前もって入力されたトンネル計画による３次元位置情報をマッチングしてトンネル掘削による自由面を形成する。この際、トンネルの長さが長くて装備の信号受信ができない場合、中継端末機をトンネルの中間にさらに設置して、装備が位置を認識するようにする。中継端末機が自分の位置を確認すれば、自分の位置を保存し、これを用いて位置情報を送出するようにすれば、トンネルの入口側に設置された端末機は除去しても構わなく、入口側に設置された端末機を再び中継器として使うようにする。
【００５１】
他の方法としては、レーザーなどを用いてガイドラインにあたる情報を後方の特定地点から掘削方向に発射し、これを装備６００が感知し、装備６００の３次元位置を認識するようにする。発射されたレーザーは３次元空間上で直線として現れ、端末機と装備の距離情報だけ演算すれば、装備の３次元空間位置を獲得することができるようになる。このために、装備６００は位置測定部（図示せず）及び姿勢（傾き、ノズルの伸縮による情報からノズルの位置把握）測定部（図示せず）をさらに備え、装備６００が自由面を自動で形成させることができるようにする。
【００５２】
図５〜図７を参照すれば、ここで、前記ライン（Ｌ）は掘削対象面１０に形成される破砕パターンである。
【００５３】
前記ライン（Ｌ）は掘削対象面１０に所定の色相ライン（Ｌ）で描かれる破砕パターンであり、アーチ形を持つ。
【００５４】
また、前記破砕パターンはアーチ形パターンを基本とするが、ジグザグのパターンが複合されたパターンにも形成することができる。
【００５５】
この際、ウォータージェットノズル３００はジグザグパターンに沿って岩盤を破砕するようになり、掘削対象面１０上の自由面２０は所定の幅を持つようになる。
【００５６】
ここで、制御部５００は、ウォータージェットノズル３００が前記ライン認識手段２１０によって認識した、前記破砕パターンに形成されたライン（Ｌ）を追従するように前記多関節ロボットアーム２００を制御する。
【００５７】
この際、前記ライン（Ｌ）を認識するライン認識手段２１０は撮影手段で構成することができる。
【００５８】
ラインの認識手段２１０は、前述したように、装備の位置認識方法の一つとして、装備の位置認識が完了すれば、作業すべき面１０をスキャンして、作業すべき自由面の状態が装備６００側に突出したかあるいは掘削方向に凹んでいるかの現在状態を把握する。
【００５９】
把握が完了すれば、本格的な作業に先立ち、まず破砕すべき突出部にノズル３００を移動させて先作業を実施する。１段階の先作業が完了すれば、全体的に区間を分割し、ロボットアームを動作させて作業を進める。
【００６０】
すなわち、制御部５００は、多関節ロボットアーム２００が掘削対象面２０に描かれるライン（Ｌ）に沿って移動するようにすることにより、前記多関節ロボットアーム２００に装着されたウォータージェットノズル３００がライン（Ｌ）に沿って自由面２０に破砕するようになる。
【００６１】
このように、前記多関節ロボットアーム２００はライン（Ｌ）に沿って移動し、前記ウォータージェットノズル３００は多関節ロボットアーム２００に沿って移動しながらアーチ形またはジグザグ形に軌跡を描く。
【００６２】
したがって、掘削対象面１０の外側に所定深さを持つアーチ形またはジグザグ形に掘削された自由面２０が形成される。この自由面２０は掘削対象面１０と地表面の間に介在されて掘削対象面１０を取り囲む形態である。
【００６３】
一方、ウォータージェット装備６００は、掘削対象面１０に塗布された所定の色相ライン（Ｌ）を認識するライン認識手段２１０をさらに含むことができる。図５〜図７を参照すれば、アーチ形のライン（Ｌ）が掘削対象面１０に塗布されている。このライン（Ｌ）は本発明のウォータージェット装備６００による実質的な破砕パターンであることに理解しても良い。前記破砕パターンはアーチ形パターンを基本とするが、ジグザグパターンが複合されたパターンにも形成することができる。
【００６４】
具体的に、制御部５００は、ウォータージェットノズル３００が前記ライン認識手段２１０によって認識した前記ライン（Ｌ）を追従するように前記多関節ロボットアーム２００を制御する。ライン認識手段２１０は撮影手段でなることができる。したがって、自由面２０は前述したライン（Ｌ）に沿って形成される。参考として、図７に示したように、制御部５００は基本的にアーチ形のライン（Ｌ）を追従するように多関節ロボットアーム２００を制御するが、破砕幅を考慮してジグザグ形の軌跡を描くように制御することもできる。結果として、掘削対象面１０の外側に所定深さを持つアーチ形またはジグザグ形に掘削された自由面２０が形成されることができるものである。
【００６５】
自由面が形成されれば、ノズルに装着されたカメラによって自由面の内側を撮影し、岩盤の状態を検査することにより、以後の装薬発破またはトンネル工事中の崩壊可能性を予測して以後の工事安全性を倍加させるようにする。
【００６６】
図８は本発明のさらに他の実施例を示す図である。図８はウォータージェット装備６００のウォータージェットノズル３００を装着したウォータージェット装備３００のさらに他の実施例を示すもので、二つの多関節ロボットアーム２００を備える。この際、多関節ロボットアームは２００ウォータージェットノズル３００を支持し、図面に矢印で示すように、ウォータージェットノズル３００の高低の調節及び長さの調節のいずれも可能であるように備えられる。
【００６７】
前記ウォータージェット装備６００を説明すれば次のようである。それぞれの構成としては、多関節ロボットアーム２００、離隔距離測定センサー、温度監視センサー、吸引システム、及び陷沒検出システムを含んでなることができる。
【００６８】
より具体的に、多関節ロボットアーム２００は、自由面２０を形成するにあたり、自由面２０の誤差による器機誤作動を解決するとともに多関節ロボットアーム２００の動き速度を制御するように設計する。
【００６９】
離隔距離測定センサーはウォータージェットノズル３００に付着され、一定距離内に標的がなければ動作が停止するようになされる。
【００７０】
また、温度監視センサーは、ウォータージェットノズル３００が目指す掘削地点に人として認識できる温度範囲を測定して事故を防止するように備えられる。
【００７１】
吸引システムは、岩盤が破砕されて水とともに流れ出れば、これを吸引して他の区域に排出させることにより、沈積が発生しないようにし、自由面２０の形成速度を増加させることができるように備えられる。陷沒検出システムは、形成された自由面２０の陷沒した部分の位置の検出及び陷沒した地盤によるウォータージェットノズル３００の損傷有無の確認ができるようにする。この際、ウォータージェットノズル３００が損傷されたら、分離、入れ替え及び再組立てが容易な設計または構成を備える。
【００７２】
また、自由面２０の形成の際、ウォータージェットノズル３００が正常に動かないとき、その理由が何なのかを確認するようにする。
【００７３】
以下、図９及び図１０を参照して本発明の実施例によるウォータージェットを用いた掘削方法を説明すれば次のようである。
【００７４】
まず、移動ユニット１００によってウォータージェット装備６００が掘削位置に前進する。
【００７５】
装備６００が所望場所に位置すれば、自分の位置及び自由面を形成するための部分をスキャンして現在状態を把握し、ノズル３００を用いて先作業を実施する。好ましくは、ノズルを回転させながらライン（Ｌ）に沿って往復運動させることにより、効果的に自由面を形成させる。スキャンによって突出した部分を先に作業し、自由面の深さを一定にした状態で、全体的にロボットアームを稼動して自由面を形成させることが好ましい。
【００７６】
そして、掘削対象面１０にライン（Ｌ）でなる破砕パターンを形成する。
【００７７】
この際、前記破砕パターンはアーチ形またはジグザグ形の複合パターンを選択して掘削対象面１０に所定の色相ライン（Ｌ）で塗布される。
【００７８】
制御部５００は、掘削対象面１０に形成されたライン（Ｌ）をライン認識手段２１０によって認識し、前記ライン（Ｌ）をウォータージェットノズル３００が追従するように制御する。
【００７９】
この際、多数のロボットアーム２００を備える場合、区画して雑業を進めることができ、ロボットアーム２００の相互間の干渉を考慮して作業の手順及び時間をそれぞれのロボットアーム別に制御する。
【００８０】
制御部５００は、多関節ロボットアーム２００がライン（Ｌ）に沿って移動するようにすることにより、計画されたライン（Ｌ）の形態に自由面２０が形成されるようにする。
【００８１】
前記ウォータージェットノズル３００によって掘削対象面１０に所定深さの自由面２０を形成する。
【００８２】
自由面２０を測定する段階は、ウォータージェットノズル３００によって破砕された自由面２０の破砕深さ及び破砕幅をリアルタイムにセンサーで測定する。測定された幅や深さが基準以下となる場合、該当の部分にノズル３００を再動作させることで、所望の幅及び深さを確保することができるようにする。
【００８３】
自由面２０の深さ及び空間が確保されなかった場合、初期実行命令を実施し、自由面２０の深さ及び空間が確保される場合、発破準備段階に進む。
【００８４】
このように、自由面２０の形成工程が完了すれば、後続的に前記ウォータージェットノズル３００によって前記自由面２０の内側領域に多数の装薬孔３０を形成した後、前記装薬孔３０に爆薬を装薬して発破する工程が行われる。
【００８５】
そして、本発明による破砕パターンは、掘削部の掘削設計線のライン（Ｌ）に沿って、衝撃、振動及び騷音の伝達を減少させる一連の連続した自由面２０を形成して発破振動を抑制することができる。トンネルの掘削方向において前方だけ開放し、上下左右及び背面が隣接岩盤によって密閉した状態で発破がなされる従来とは異なり、本発明は、下面及び背面だけ隣接岩盤によって密閉し、前方及び上面、左右面が開放した状態で発破がなされるようになる。よって、自由面２０を拡張して所要装薬を最小化することによって、衝撃、振動及び騷音の伝達を減少させ、より安全で環境に優しい発破工程が可能である。
【００８６】
また、装薬孔３０に装填された火薬を爆破させる場合、発生する振動騷音及び破壊力は掘削対象の岩盤１０を媒質として四方に広がるようになる。しかし、自由面２０の部分では媒質が違って（岩盤、空気）、振動、騷音及び破壊力が掘削対象岩盤１０側に反射される。これは水中で発生した音が水中ではよく伝達できるが、媒質の異なる水外の空気中ではよく伝達されない原理のようである。
【００８７】
したがって、自由面２０は爆破によって発生する振動及び騷音を効果的に遮断ないし減少させるようになる。
【００８８】
以前の場合、爆発によって発生する破壊力が岩盤に沿って四方に伝播して損失が非常に高かったが、本発明の場合、破壊力が自由面２０によって反射されてさらに内側に向かうように（図９参照）する。よって、小さい爆発力によっても掘削対象の岩盤を破壊させることができ、爆薬の使用量を節減することができるようになる。
【００８９】
一方、図１０に示すように、自由面２０の内側（掘削対象面：１０）に爆薬が装填される所定の深さを持つ多数の装薬孔３０を等間隔で形成させる。
【００９０】
装薬孔３０は本発明の方式によってウォータージェットを用いて形成することもでき、既存のジャンボドリル装備を用いて形成することもできる。また、多数のロボットアーム６００を装着する場合、一部のロボットアームは自由面を形成し、その他のロボットアーム６００は装薬孔を形成するように動作させることもできる。
【００９１】
そして、前記掘削対象面１０の発破によってトンネルの掘削がなされる。
【００９２】
発破の順序は、自由面２０に隣接した爆薬を先に発破し、以後にトンネルの中心及び底面に向かって順次に発破する。すなわち、前方及び左右の自由面と上部自由面に隣接した部分で発破が先に始まるようにし、順次にトンネルの内側及び下側の岩盤の装薬が爆破されるようにする。また、装薬孔は一般的に２ｍ〜３ｍの深さに形成されるため、該当の装薬孔に装填された装薬が同時に爆破されるものではなく、多段に発破されるようにすることができる。例えば、たまねぎの皮を剥くように最外側に位置する（前方、左右、上部の自由面に隣接した）装薬を先に爆破させ、内側に進みながら順次に発破を施行する。このように発破を進めば、自由面の多い岩盤を先に破砕するようにして装薬量を減らすことができる。
【００９３】
一方、本発明の他の一実施形態のウォータージェットを用いた掘削システムに関するもので、以下これについて説明する。
【００９４】
図１１及び図１２を参照すれば、ウォータージェットシステムは、フレーム７１０、移動手段７２０、ウォータージェットノズル７３０及び制御装置７４０を含んでなる。
【００９５】
より具体的に、フレーム７１０は掘削対象面１０の前面に配置される。フレーム７１０は図面のようにトンネルの縦断面の形態と類似したアーチ形であり、トンネルの掘削方向に沿って移動可能である。フレーム７１０の上部にはレール７５０が備えられている。レール７５０には移動手段７２０が移動可能に結合される。移動手段７２０は制御装置７４０の制御によってレール７５０に沿って往復して巡回する。好ましくは、レールを用いず、移動手段７２０がホイールまたは軌道によってフレーム７１０上で動くようにする。
【００９６】
前記移動手段７２０の移動対象体はウォータージェットノズル７３０である。ウォータージェットノズル７３０は掘削対象面１０の前面に向けて高圧の水を噴射する。この高圧の水は図示しない給水装置によって供給される。本発明は、ウォータージェットノズル７３０から噴射される水で掘削対象面１０を粉砕（あるいは破砕）し、その性能向上のために研磨剤を併用することができる。研磨剤は砂などの粒子であり、図示しない研磨剤供給装置によってウォータージェットノズル７３０に供給される。したがって、ウォータージェットノズル７３０からは水と該水によって加速された研磨剤が掘削対象面１０に噴射される。ウォータージェットノズル７３０を通じて噴射される水の圧力と研磨剤の投入量は制御装置７４０によって調節可能である。前述したウォータージェットノズル７３０は移動手段７２０に固定支持されているので、レール７５０に沿って往復して巡回する。
【００９７】
この際、前記移動手段７２０はレール７５０を含むものであり、前記レール７５０は、フレーム７１０の前後移動を可能にする第１レール７５２と、ウォータージェットノズル７３０の移動を可能にする第２レール７５４とからなる。
【００９８】
前記第１レール７５２はフレーム７１０の前後移動のためのものであり、第２レールはフレーム７１０の上部に位置してウォータージェットノズル７３０の移動を可能にする。このような、前記移動手段７２０はウォータージェットノズル７３０を装着して前記第２レール７５４上で往復して巡回するように構成される。また、ウォータージェットノズル７３０は前述したロボットアームに装着され、ロボットアームがフレーム７１０に装着され、フレームに沿ってロボットアームが動くようにすることで具現されることもできる。
【００９９】
このように、前記ウォータージェットノズル７３０はフレーム７１０の形態に従って移動するので、アーチ形の軌跡を描く。したがって、掘削対象面１０の外側に所定深さを持つアーチ形の自由面２０が形成される。この自由面２０は掘削対象面１０と地表面の間に介在されて掘削対象面１０を取り囲む形態である。
【０１００】
ここで、前記ウォータージェットノズル７３０は移動手段７２０によって移動可能であり、複数が使われることもでき、前記ウォータージェットノズル７３０の一側には切削された深さを測定するための測定センサー７３２を含むことができる。
【０１０１】
また、制御装置７４０は、移動手段７２０の移動速度、ウォータージェットノズル７３０から噴射される水の圧力及び方向を制御する。この際、ウォータージェットノズル７３０から噴射される水には掘削の効率性を高めるために研磨剤などの補助物質が混合されることができる。
【０１０２】
このような、ウォータージェットシステムによる自由面２０の形成を説明すれば、フレーム７１０を第１レール７５２によって掘削位置に前進させる。前進後、制御装置７４０によってウォータージェットノズル７３０の圧力、移動手段７２０の移送速度、研磨剤投入量などを決定する。
【０１０３】
ウォータージェットノズル７３０はフレーム７１０の形態に従って移動するので、アーチ形の軌跡を描く。したがって、掘削対象面１０の外側で所定深さを持つアーチ形の自由面２０が形成される。この自由面２０は掘削対象面１０と地表面の間に介在されて掘削対象面１０を取り囲む形態である。
【０１０４】
このように、自由面２０の形成工程が完了すれば、掘削対象面１０から第１レール７５２によって後進させ、続いて掘削対象面１０に多数の装薬孔を形成した後、装薬して発破する工程が行われる。発破の際には、爆源から発破振動（振動エネルギー）が発生する。この発破振動は自由面２０によって反射されるので、地表面を含む周辺への伝播が効果的に抑制される。
【０１０５】
一方、自由面２０から反射された発破振動の大部分はまた発破に必要なエネルギーとして作用する。したがって、発破に必要な爆薬の量は自由面２０がない場合に要求される量より少なくなることができる。また、発破後、余掘り（ｏｖｅｒｂｒｅａｋ）の可能性を著しく減らすことができる。これは発破後の後続工程が不要であるというのを意味し、ひいては工事コストの節減と工期の短縮につながる。
【０１０６】
実験例
図１３〜図２０は自由面形成による発破振動抑制シミュレーションの結果である。図１３は３次元有限要素解釈モデルを示す図面であり、最外側孔４０と拡大孔３０の位置を示す。
【０１０７】
図１４は時間による発破圧力をシミュレーションした図で、（ａ）は拡大孔３０での発破圧力を（ｂ）は最外側孔４０での発破圧力を示す。この際、最外側孔（図１３参照：４０）の装填条件は、精密爆薬である直径１７ｍｍのガリット（Ｇｕｒｉｔ）をデカップリングし、拡大孔（図１３参照：３０）装填条件は、直径３２ｍｍのエマルジョン（Ｅｍｕｌｓｉｏｎ）を装填する。拡大孔３０と最外側孔４０での発破圧力の差は著しくない。最外側孔４０の発破有無は発破振動に大きな影響を及ぼさない。
【０１０８】
図１５は最外側孔４０及び拡大孔３０のＸＹＺ方向の合成変位をシミュレーションした図、図１６は最外側孔４０及び拡大孔３０の水平方向変位を示す図、図１７は鉛直方向変位をシミュレーションした図である。（ａ）は自由面２０を形成せずに最外側孔４０と拡大孔３０を爆破させた場合、（ｂ）は自由面２０の形成後、最外側孔と拡大孔を爆破させた場合、（ｃ）は自由面２０の形成後、拡大孔３０だけ爆破させた場合である。図１５〜図１７に示すように、自由面２０を形成することによって発破圧力がトンネル周辺の地表面に伝達されない。また、（ｂ）と（ｃ）の発破圧力の差は著しく現れない。
【０１０９】
図１８は最外側孔４０の１ｍ上端において時間による鉛直変位の変化を示す図である。ここで、Ｃａｓｅ Ａは自由面２０を形成しなかった一般的な発破断面の鉛直変化を示す数値、Ｃａｓｅ Ｂは自由面２０が形成された後、発破断面の鉛直変化を示す数値、Ｃａｓｅ Ｃは最外側孔４０を考慮しないで拡大孔３０だけで発破した後、発破断面の鉛直変化である。発破振動は最外側孔４０の存在有無に大きな影響を受けない。これは、穿孔数の減少及び装薬量の減少などに関連して工事費節減の効果がある。
【０１１０】
図１９及び図２０は発破地点の上端での鉛直方向変位を示す図である。この際、発破位置がトンネルの上部から遠く離れるほど発破振動の大きさも減少する（図１９参照）。発破位置から遠くなる場合、振動幅減殺することを確認することができる。そして、発破位置がトンネルの上部から遠くなるほど振動波の到達時間も増加する（図１９参照）。
【０１１１】
図２０はトンネルの発破位置の上端地表面（発破地点から２０ｍ離隔した位置）で自由面の有無及び自由面の深さによる鉛直変化をシミュレーションしたグラフである。図２０を見れば、自由面２０の深さが深くなるにつれて発破振動が減殺する効果があることが分かる。
【０１１２】
自由面２０がない場合、上端地表面（発破地点から２０ｍ離れた地表面）の最大鉛直変位は０．０７程度と現れる（図２０参照）。しかし、自由面２０が形成された場合、最大鉛直変位は自由面２０が形成されなかった場合より大きく減少する効果がある。また、自由面２０の深さが深くなるにつれてトンネルの上部地表面で現れる最大鉛直変位の大きさも徐々に減少し、４ｍ深さの自由面２０が適用された場合、自由面２０が適用されなかった場合に比べて最大９０％以上の振動減少効果がある。
【０１１３】
図２２は垂直方向変位に対するシミュレーションのためのモデリングであり、“Ｃｏｎｔｏｕｒ ｈｏｌｅｓ”（外側孔）及び“Ｓｔｏｐｐｉｎｇ ｈｏｌｅｓ”（拡大孔）には下記の表のように装薬を装填して爆破する条件で実験を進めた。
【０１１４】
【表５】
0005721842.tif 000006
【０１１５】
“ａ”は自由面に１０ｃｍの幅で深さ１ｍに設置した場合、“ｂ”は自由面なしに１列のラインドリル孔を、“ｃ”は自由面なしに２列のラインドリル孔を設置した状態で発破を進めた。
【０１１６】
図２３は発破による垂直変位値を測定したもので、ラインドリル孔が設置された場合と一般的なトンネル発破とは何らの差が発生しなかったが、自由面が設置された場合には、上端部分で垂直変位がほぼ現れないことが把握された。
【０１１７】
図２４は最大垂直変位に対する測定値を示すもので、自由面が形成された場合、最大変位が０．６程度に測定された。一般に、０．７以上の最大変位が発生する場合、ダメージゾーンが形成されると知られている。
【０１１８】
したがって、本発明によって自由面を形成する場合、発破振動が効果的に抑制されることができることを確認することができる。
【０１１９】
以上のように、本発明は単に限定された実施例及び図面に基づいて説明されたが、本発明はこれに限定されなく、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者によって本発明の技術思想に基づいて記載する請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であるのはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明は、爆薬発破基盤のトンネル掘削に利用可能性がある。特に、高水準の発破振動抑制が要求される都心地下鉄及び地下施設物の工事にその効用性が高いものに期待される。
【符号の説明】
【０１２１】
１００    移動ユニット
２００    多関節ロボットアーム
３００    ウォータージェットノズル
３１０    深さセンサー部
３２０    幅センサー部
４００    供給部
５００    制御部
６００    ウォータージェット装備
７１０    フレーム
７２０    移動手段
７３０    ウォータージェットノズル    
７３２    測定センサー
７４０    制御装置
７５０    レール
７５２    第１レール
７５４    第２レール
Ｌ    ライン
【図１】
0005721842.tif 000007
【図２】
0005721842.tif 000008
【図３】
0005721842.tif 000009
【図４】
0005721842.tif 000010
【図５】
0005721842.tif 000011
【図６】
0005721842.tif 000012
【図７】
0005721842.tif 000013
【図８】
0005721842.tif 000014
【図９】
0005721842.tif 000015
【図１０】
0005721842.tif 000016
【図１１】
0005721842.tif 000017
【図１２】
0005721842.tif 000018
【図１４】
0005721842.tif 000019
【図１９】
0005721842.tif 000020
【図２０】
0005721842.tif 000021
【図２４】
0005721842.tif 000022
【図１３】
0005721842.tif 000023
【図１５】
0005721842.tif 000024
【図１６】
0005721842.tif 000025
【図１７】
0005721842.tif 000026
【図１８】
0005721842.tif 000027
【図２１】
0005721842.tif 000028
【図２２】
0005721842.tif 000029
【図２３】
0005721842.tif 000030