JPH0410971B2

JPH0410971B2 -

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Publication number: JPH0410971B2
Application number: JP4257585A
Authority: JP
Priority date: 1985-03-06
Filing date: 1985-03-06
Publication date: 1992-02-27
Also published as: JPS61202115A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はトンネル断面計測装置に関するもので
ある。

（従来技術）トンネルを掘る場合、通常、所望のトンネル断
面形状に対応して、複数のさく孔位置およびこの
各さく孔位置におけるさく孔方向を決定し、この
データに基づいてさく孔作業を行なう。そして、
さく孔にダイナマイト等の爆薬を装填し、この爆
薬を爆発させて、所望のトンネル断面形状に近似
した仮トンネルを形成するようにしている。

しかし、このようにして形成された仮トンネル
は、岩質（岩の強度）の相違等の理由により、所
望のトンネル断面形状に対して、ある部分は内方
側へ突出して掘量の不足した不掘部を有し、また
ある部分は外方側へ突出して余分に掘つてしまつ
た余掘部を有するという問題がある。そして、こ
のような問題が発生した場合、上記不掘部は追さ
く孔または追作業を行なつて削り取られなくては
ならず、また余掘部は後工程のコンクリートの吹
き付け作業の際多量のコンクリートを充填しなく
てはならなかつた上述のように、不掘部や余掘部の存在は、仮ト
ンネル形成後の作業量増大や資材の消費となり、
この不掘部や余掘部をいかに少なくするかが、工
費低減や作業能率向上等の点から重要となる。こ
のため、一旦仮トンネルを形成したときに、この
仮トンネルの断面形状を計測することにより、す
なわち不掘部と余掘部とがどのように存在するか
を知ることにより、次に仮トンネルを形成する場
合のさく孔パターンや爆発力等の決定（補正）を
行う上で重要となる。

この仮トンネルの断面形状すなわちトンネル断
面形状を計測するものとして、レーザ測定器があ
るが、これは比較的精度がよく計測時間も短くで
きるという利点を有する反面、数千万円という高
価なものであるため、一般には多く使用されてい
ない。そして、最も一般に行われている方法は、
長尺の棒状体の先端に巻尺の一端を固定し、一人
の作業員がこの棒状体の先端をトンネル断面形状
の内周面に押し当てた状態で、他の作業員が、上
記巻尺の他端を定点に合せてこのときの目盛を読
む、という作業を、棒状体の押し当て位置を変更
しつつ何回か繰り返すことにより行つているのが
現状である。しかしながら、上述のような巻尺を
利用した方法では、トンネル断面形状の計測に、
２〜３時間という極めて長い時間を要してしまう
という欠点を有する。

（発明の目的）本発明は以上のような事情を勘案してなされた
もので、トンネル断面形状の計測を短時間で行
え、かつ比較的安価に構成することのできるトン
ネル断面計測装置を提供することを目的とする。

（発明の構成）本発明は、例えばさく岩機またはコンクリート
吹付け手段を乗架するブーム手段を備えたトンネ
ル工事走行台車を有する作業機械をそのまま有効
に利用して、トンネル断面形状の計測装置を構成
するようにしたものである。すなわち、走行台車
のブーム手段先端部を、トンネル断面形状の内周
面上に押し当てて、このときのブーム手段先端部
の位置を検出し、このような押し当て位置を変更
しつつその毎にブーム手段先端部の位置を検出す
ることによつて、全体としてトンネル断面形状を
計測し得るようにしたものである。具体的には、ブーム手段を有する走行台車と、前記ブーム手段の先端部を、トンネル断面内周
面上の任意の位置へ作動せしめるブーム操作手段
と、前記ブーム操作手段により前記ブーム手段の先
端部がトンネル断面内周面に沿つてならい操作さ
れた際、該ブーム手段の変位値をあらかじめ設定
した所定の座標系の値として検出する検出手段
と、前記検出手段により検出された値に基づいて得
られるならい形状を表示する表示手段と、を備えた構成としてある。

（実施例）以下本発明の実施例を添付した図面に基づいて
説明するが、実施例では、ブーム手段を有する走
行台車として、さく岩機を用いるようにしてあ
り、かつこのさく岩機は、そのブーム手段先端部
の位置決めすなわちさく孔位置の位置決めを、特
公昭57−51518号公報に示すように、人間の感覚
に合つた直角座標系で入力して数値制御するよう
にしたものとなつている。したがつて、上述のよ
うなさく岩機そのものの説明を先ず行つた後、そ
の後、トンネル断面形状の計測部分について説明
することとする。

第２図において、さく岩機Ａは、従来同様、キ
ヤタピラ式の走行台車１０１を有し、この走行台
車１０１上に設置された基台１０２に対して、後
述するブーム手段１を設けてある。このブーム手
段１は、基台１０２上の運転席１０３に着座した
作業員Ｓによつて、ブーム操作手段としての操作
レバー１０４を操作することによつて、後述のよ
うに任意の位置へ作動させる。そして、後述する
トンネル断面計測のためにこのブーム手段１を操
作する際には、基台１０２に固定されたアウトリ
ガ１０５を利用して、レーザ発信器１０６からの
レーザ光１０７に合せて、走行台車１０１を浮き
上がらせて水平状態にセツトして行うようになつ
ている。

前述したブーム手段１について第３図を参照し
つつ説明すると、このブーム手段１は、第１ブー
ム２と第２ブーム３とを有している。すなわち、
基台１０２に第１ブーム２の後端２ａを回転自在
軸支すると共に、該ブーム２の先端２ｂに第２ブ
ーム３の後端３ａを回転自在に軸支し、該ブーム
３の先端３ｂにセルマウンテイング４を介してガ
イドセル用のシリンダ５を固定している。該シリ
ンダ５にはフイードモータ６を後端に取り付けた
ガイドセル７を摺動自在に載架して該シリンダ５
の作動により上記ガイドセル７を前後進させるよ
うにすると共に、該ガイドセル７にロツド９の先
端にビツト１０を取付けたさく孔機８を前後進で
きるように装着し、該さく孔機８のさく孔作業時
に上記フイードモータ６で前進作動させるように
している。該さく孔機８を乗架するブーム１は左
右水平方向（図中ｘ方向）、前後水平方向（図中
ｚ方向）及び垂直方向（図中ｙ方向）に変位する
ようにしており、上記第１ブーム２と第２ブーム
３に夫々水平方向に作動させるブームスイング用
のシリンダ１１とガイドセルスイング用のシリン
ガ１２を取付けると共に、垂直方向に作動するブ
ームリフト用のシリンダ１３とガイドリフト用の
シリンダ１４とを図示の如く取付けている。

上記各シリンダ１１〜１４の作動量と該作動に
応じて移動するブーム先端位置（即ち、ガイドセ
ル７の先端位置）の関係を、第４図、第５図を参
照して解析すると下記の通りとなる。

尚、第１ブーム２の長さをl₁、第２ブーム３の
長さをl₂、第２ブーム３の先端よりガイドセル７
の先端までの長さ（即ち、ガイドセル７の移動
量）をl_Sとしている。

ブームがｚ軸上にあるとき、その先端は第４図
中P₀の位置にある。まず、ブームスイング用の
シリンダ１１とガイドセルスイング用のシリンダ
１２とを作動し、そのロツドの伸長により水平面
（図中ｘ−ｚ方向）に第１ブーム２をθ₁、第２ブ
ーム３をθ₃だけ移動すると、上記P₀点はP₁点に移
る。その後、ブームリフト用シリンダ１３、ガイ
ドセルリフト用のシリンダ１４を作動し垂直面
（図中ｙ−ｚ面）にθ₂、θ₄だけ移動するとP₁点は
P₂点に移る。P₂点の位置及び（セルの）方向は
次式で与えられる。

ｘ＝l₁sin₁・cosθ＋｛l₂sinθ₁ ＋ls・sin(θ₁+θ₃)}cos（θ₂＋θ₄）ｙ＝l₁cosθ₁・sinθ₂＋｛l₂cosθ₁ ＋ls・cos(θ₁+θ₃)}sin（θ₂＋θ₄）ｚ＝l₁cosθ₁・cosθ₂＋｛l₂cosθ₁ ＋l₂cos(θ₁-θ₃)}cos（θ₂＋θ₄） θ＝θ₁＋θ₃ Φ＝θ₂＋θ₄ すなわち、点P₂とその方向は(1)式を通して、
角座標系Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ、θ、Φ）及び、ブーム
の座標系Pθ（θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、ls）相互に変換で
き
る。

Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ、θ、Φ）、Pθ（θ₁、θ₂、θ₃、θ
₄、
ls）したがつて直角座標系で与された点P₂の位置
と方向の制御は座標変換器〔Ｐ→Pθ〕と角度θ₁、
θ₂、θ₃、θ₄及び長さlsの位置決めサーボ制御装置
があれば達成できることとなる。

本位置決め装置は上記座標変換器〔Ｐ→Pθ〕
と位置決めサーボ制御装置を設け、直角座標系で
ブーム先端のビツトの位置を表示してブームの位
置決めをするようにしたもので、第１図に示す構
成よりなる。

第１図中、１５はさく孔パターンに応じてブー
ム先端位置を切羽直前の仮想直角座標面に対して
直接位置決めするための作動量を設定するメモリ
手段で、このメモリ手段１５は上記ブーム２，３
の作動量の記憶をダイヤル等によつて自由に設定
できるようにしてある。１６はブーム１の第１、
第２ブーム２，３の変位角より各ブームの駆動用
油圧シリンダ１１〜１４のピストン及びガイドセ
ル用のシリンダ５の作動量を決定するブームの位
置決めサーボ制御装置、１７は上記メモリ手段１
５とサーボ制御装置１６との間に設置する〔Ｐ→
Pθ〕変換器であり、メモリ手段１５より与えら
れる直角座標系のＰの位置と方向（ｘ、ｙ、ｚ、
θ、Φ）をブームの座標系のPθ（各アーム２，３
の変位角度θ₁、θ₂、θ₃、θ₄とガイドセル７の移動
量ls）に変換するものである。１８は中央処理装
置であり、上記メモリ手段１５と変換器１７とに
接続し、操作入力が与えられるとメモリ手段１５
から所望のさく孔位置Ｐを取り出し変換器１７に
伝えるものである。１９は上記変換器１７とブー
ム位置決めサーボ制御装置１６との間に接続する
レジスタであり、変換器１７より与えられる指
令値Pθをたくわえてサーボ制御装置１６に伝え
るものである。２０は変換器１７に接続したレジ
スタであり第１ブーム２、第２ブーム３の長さ
l₁、l₂…等の定数を変換器１７に与えている。第
１及び第２ブーム２，３からなるブーム１及びガ
イドセル７の各駆動油圧シリンダ５，１１〜１４
は上記位置決めサーボ制御１６と接続し、該位置
決めサーボ制御装置１６より指令される各シリン
ダ５，１１〜１４のピストン作動量に応じて作動
される。２２はさく孔機制御手段であり、ブーム
１のガイドセル７上に乗架したさく孔機８にさく
孔作動に必要な制御量を与えており、上記位置決
めサーボ制御装置１６と接続しブームが所望位置
に位置決めされた信号で作業を開始するようにす
ると共に、中央処理装置１８とも接続し、各さく
孔作業毎の終了信号を与えるようにしている。

２３はブーム２，３，２１の各駆動用シリンダ
１１〜１４及びガイドセル用のシリンダ５の変位
を検出した信号を受けてブームの変位角を求める
２つの演算器であり、上記位置決めサーボ制御装
置１６と接続し、ブームの変位角（θ₁、θ₂、θ₃、
θ₄）及びガイドセル７の移動量（ls）をフイード
バツクし、ブームの位置決めを行うようにしてい
る。この各シリンダ１１〜１４および５の変位
は、例えば第６図に示すようなエンコーダ２５に
よつて検出することができる。このエンコンダ２
５は上記各駆動油圧シリンダ１１〜１４，５の内
部基端側に取り付けており、シリンダに固定する
ケース内に回転デイスク２６と検出器２７とを設
け、油圧の流入により軸２８を介して回転デイス
ク２６が回転するようにしており、デイスク２６
に物理的なコード化された1.0パターンを記憶さ
せ、これを検出器２７にて検出している。尚、物
理量として光を用いているため、光源ランプ２
９、集光レンズ３０を用い、検出器２７としてフ
オトトランジスタを用いている。勿論、このエン
コーダ２５のデイスクパターンを工夫することに
より、関数発生器として機能させて、シリンダ１
１〜１４，５の変位からブーム変位角を知ること
ができる。また、上記エンコーダ２５は各シリン
ダ軸線上に配置しているが、このエンコーダ２５
は上記シリンダの軸線上から外れた位置で作動す
るように、歯車またはねじ機構を介して連結する
ようにしてもよい。なお、上述のようなブーム１
の作動した値を検出するエンコーダ２５について
は、前述した特公昭57−51518号公報に詳述され
ているので、ここではその詳細な説明は省略す
る。

上記した構成よりなるブーム位置決め装置の作
用について説明すると、まず、直角座標系で与え
られたさく孔機のさく孔パターンをメモリ手段１
５に記憶させる。ついで、操作入力を中央処理装
置１８に入れると、該装置１８の指令により、所
望のさく孔点Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ、θ、Φ）の情報が
変換器１７に入り、Ｐ→Pθの変換がなされ、ブ
ーム座標での位置がレジスタ１９にたくわえら
れる。この指令値に従つて、ブーム位置決めサー
ボ制御装置１６により各駆動シリンダ５，１１〜
１４が作動されて各ピストンが伸長し、ブーム先
端は所望位置に達する。この時、同時に各シリン
ダのピストンの変位よりブームの角度検出がなさ
れ、サーボ制御装置１６にフイードバツクされ
る。この位置決めが終ると、さく孔機制御装置２
２によりさく孔機８が制御されてさく孔作業が行
われる。該作業が終了すると、終了信号が中央処
理装置１８に与えられ、該中央処理装置は再度新
しい位置をメモリ手段１５より取り出し、変換器
１７に与える。上記順序に従つてブーム１の位置
決め及びさく孔作業が行われる。これを順次繰り
返し１つのパターンにしたがつてさく孔作業を終
了する。

上記さく孔作業が終了した直後のトンネルの状
態を第７図に示してあり、図中一点鎖線で示すδ
線が、所望のトンネル断面形状を示し、ｄがさく
孔を示す。

さて次に、トンネル断面形状を計測する部分の
構成について説明すると、本実施例では、第１図
の既述した構成に加えて、Pθ→Ｐ変換器１０８
と、メモリ手段１０９と、表示器１１０と、をさ
らに備えたものとなつている。この変換器１０８
は、エンコーダ２５により検出されたブーム座標
系Pθ（θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θs）を直角座標系（ｘ、
ｙ、ｚ、θ、Φ）に変換するものである。なお、
エンコーダ２５が単にシリンダ１１〜１４，５の
変位のみを検出するものである場合は、演算器２
３からのPθ出力を変換器１０８に入力すればよ
い。

上記メモリ手段１０９は、変換器１０８からの
出力を、順次メモリしておくものであり、例えば
バルブメモリが用いられる。また、上記表示器１
１０は、例えばパソコン（パーソナルコンピユー
タ）のブラウン管によつて構成され、例えばバル
ブメモリからなるメモリ手段１０９をバルブドラ
イバに装填して、このメモリ手段１０９に記憶さ
れているブーム１の作動した値を、直角座標系で
表示するものとなつている。

さて、第７図に示したように形成されたさく孔
ｄに爆薬を充填して爆破を行うと、例えば、第８
図実線で示すような仮トンネルγが形成される。
この仮トンネルγのうち、図中ｅで示す部分が不
掘部であり、またｆで示す部分が余掘部である。
このような仮トンネルγの断面形状を測定するに
は、先ず、作業員Ｓが操作レバー１０４を操作す
ることにより、ブーム１の先端部１例えばビツト
10を、第８図矢印で示すように、仮トンネルγの
内周上に押し当てる。このビツト10が押し当てら
れたときのビツト10の位置は、エンコーダ２５に
よつて検出された後、変換器１０８で直角座標系
Ｐに変換されて、メモリ手段１０９に記憶され
る。上述のようなビツト10の押し当て作業を、仮
トンネルγのほぼ全周に渡るように多数回行つた
後、メモリ手段１０９に記憶されている情報を表
示器１１０に表示させると、例えば第９図に示す
ように、表示器１１０の表示面に対して、ビツト
10が押し当てられた位置が、「点」として表わさ
れる。したがつて、この表示器１１０に表わされ
たビツト１０の位置により、仮トンネルγの形状
をほぼ正確に知り得ることができる。そして、こ
の表示器１１０に表示された仮トンネルγの形状
を基に、パターンの変更、例えば不掘部または余
掘部の発生原因となつているさく孔ポイントを変
更または爆薬装填量の変更を行なうことができ
る。

（発明の効果）本発明は以上述べたとこから明らかなように、
ブーム手段を有する走行台車を備えた作業機械を
有効に利用して、トンネル断面形状を計測する装
置を構成したので、既存の作業機械に対して、ブ
ーム手段の作動した値を検出する検出手段の他、
少なくとも表示手段を設けるだけでよく、安価に
提供し得る。特に、ブーム手段の作動した値を検
出する手段をすでに備えた作業機械を利用する場
合は、さらに安価なものとなる。

また、ブーム手段の先端部をトンネル断面形状
の内周面上に押し当てる作業は効率良く行うこと
ができるので、計測時間が短くてすむ。

【図面の簡単な説明】

第１図はブーム位置決め装置と計測装置部とを
示すブロツク図。第２図はブーム手段と走行台車
とを備えた作業機の一例を示す図。第３図はブー
ム手段の一例を示す側面図。第４図、第５図はブ
ーム手段の変位状態を示す概略図。第６図はブー
ムの作動した値を検出するエンコーダを示す図。
第７図はさく孔を形成した直後の状態を示す正面
図。第８図は仮トンネルと不掘部と余掘部とを示
す第７図に対応した正面図。第９図は計測された
トンネル断面形状が表示器に表示されている状態
の一例を示す図。１；ブーム、２；第１ブーム、３；第２ブー
ム、２５；エンコーダ（検出手段）、１０１；走
行台車、１０４；操作レバー、１１０；表示器。

Claims

【特許請求の範囲】１ブーム手段を有する走行台車と、前記ブーム手段の先端部を、トンネル断面内周
面上の任意の位置へ作動せしめるブーム操作手段
と、前記ブーム操作手段により前記ブーム手段の先
端部がトンネル断面内周面に沿つてならい操作さ
れた際、該ブーム手段の変位値をあらかじめ設定
した所定の座標系の値として検出する検出手段
と、前記検出手段により検出された値に基づいて得
られるならい形状を表示する表示手段と、を備えていることを特徴とするトンネル断面計測
装置。