JPH0444071B2

JPH0444071B2 -

Info

Publication number: JPH0444071B2
Application number: JP60196307A
Authority: JP
Inventors: Susumu Mashita
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1985-09-04
Filing date: 1985-09-04
Publication date: 1992-07-20
Also published as: US4712624A; JPS6255394A; CA1248937A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はさく岩機用トンネル断面計測装置に関
する。

（従来技術）トンネルの掘さくにおいて、装薬孔の自動さく
孔を行なう装置は一般に知られている。例えば、
特公昭57−51518号公報には、ブーム手段にさく
岩機を乗架してさく孔するにあたり、切羽面直前
に直角座標系で与えられるさく孔点の位置および
方向をブーム座標系の値に変換し、ブーム座標系
の値に基いてブーム手段の位置決め制御を行なう
方式により、予め設定したさく孔パターンに従つ
て順次さく孔していく技術についての記載があ
る。

ところで、上記装薬孔の位置および方向は、地
質その他を考慮して決められているが、実際に爆
破すると予定のものから断面形状にずれがあるト
ンネルが掘さくされてしまうことがある。これは
岩質（強度）が部分的に若干相違することが一因
となつているが、かかる場合、掘りすぎた部分の
覆工には通常よりも多くのコンクリートを用い、
また掘さくが不十分な部分は余掘りを行なうこと
になる。

そうして、上述の如く予定のものから断面形状
にずれがあるトンネルが掘さくされた場合、その
まま同じさく孔パターンで装薬孔のさく孔、爆破
を行なうと、岩質が急激な変化がない限り、前回
と同様のずれ方をした断面形状のトンネルが掘さ
くされていき、長いトンネルでは多量の覆工用コ
ンクリートと度重なる余掘りが必要になる。

これに対し、トンネルが順次掘さくしていく都
度、掘さくされたトンネル断面形状を計測し、予
定断面形状からのずれの大きさから岩質の部分的
相違を読み取り、その結果に応じて次のさく孔パ
ターンないし装薬両を予定断面形状からのずれが
少ないように変更していくことが考えられる。し
かし、断面の大きなトンネル掘さくの場合、トン
ネル断面形状の正確な測定を行なうのは難しく、
また専用の計測装置を用いるにしても自動さく孔
装置が邪魔にならないような簡便なものにする必
要があり、正確な断面計測は期し難い。

（発明の目的）本発明は、上述のような自動さく孔装置を利用
してトンネルの断面形状を簡単に、かつ、比較的
正確に測定することができるようにしようとする
ものである。

（発明の構成）本発明は、さく岩機を乗架するブーム手段と、
直角座標系で与えられるトンネル断面上で設定さ
れる多数の位置決め点の位置をブーム座標系の値
に変換する変換器と、この変換器からの値により
ブーム手段の位置決めを行なう位置決め制御手段
と、上記ブーム手段に設けられた超音波受発信部
を有し上記位置決め点からトンネル内周面までの
距離を算出する超音波距離計測手段と、この算出
距離と超音波受発信方向と上記位置決め点の値と
から上記トンネル断面上でのトンネル内周面の計
測点の値を直角座標系での値で演算する演算手段
とを備えている。

本発明の場合、さく岩機を乗架するブーム手段
を動かして断面計測を行なうから、爆破後、前回
のさく岩に利用したブーム手段を切羽面直前に前
進せしめればよく、また、ブーム手段を設定位置
に一旦位置決めし、超音波距離計測手段をトンネ
ル内周面に近付けた状態で距離計測を行なうか
ら、粉塵等で誤計測を生ずることが防止され、か
つ、計測点間隔の不揃いもなくすことができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面に基いて説明す
る。

第１図にはトンネル断面計測兼用さく岩装置の
全体構成が示されている。同装置は、さく岩機１
が乗架されたブーム手段２に対し、さく孔パター
ンおよび計測パターンに応じてブーム制御量を与
えブーム手段２の位置決めをなす位置決め制御系
３と、さく孔点への位置決めに従つてさく岩機１
にさく孔作業を行なわしめるさく岩機制御装置４
と、計測用位置決め点への位置決めに従つてトン
ネル断面計測およびその処理を行なう断面計測系
５とを備えている。

この場合、さく孔パターンは、切羽面直前に直
角座標系で与えられる仮想さく孔面上で設定さ
れ、計測パターンは、第２図に示す如くトンネル
６の内部の切羽面直前において同じく直角座標系
で与えられるトンネル断面上で設定される。すな
わち、計測パターンの計測用位置決め点７は、ト
ンネル内周面８に沿つて互いに略均一な間隔をも
つて設定される。この計測用位置決め点７は、さ
く孔パターンのさく孔点のうちトンネル内周面近
傍に位置するさく孔点を利用してもよい。

具体的には、まず、第３図に示すブーム手段２
において、９は第４図に示す作業台車１１に軸心
を水平にして支持されたサーキユラーであつて、
このサーキユラー９に支持した垂直な回転軸１０
に第１ブーム１２が上下回動可能にに支持され、
第１ブーム１２の先端に第２ブーム１３が上下回
動可能に支持され、第２ブーム１３にさく岩機１
を装着したガイドセル１４がセルマウンテイング
１５を会して支持されている。

そして、第１ブーム１２はこのブームを上下に
回動させるブームリフトシリンダ１６と、左右に
回動させるブームスイングシリンダ１７が連結さ
れ、第２ブーム１３にはガイドセル１４を上下に
回動させるセルリフトシリンダ１８と、左右に回
動させるセルスイングシリンダ１９が連結され、
セルマウンテイング１５にガイドセル１４を進退
させるセルスライドシリンダ２０が連結されてい
る。

さく岩機１は、ドリフタ２１にさく孔ロツド２
２を結合し、さく孔ロツド２２の先端部をセント
ラライザ２３に支持したものであり、ドリフタ２
１はガイドセル１４の後端部のフイードモータ２
４によりガイドセル１４上を前後に進退可能にな
つている。

ここで、上記サーキユラー９、シリンダ１６〜
２０の作動に応じて移動するブーム先端（ガイド
セル１４の先端）の位置とその方向についての直
角座標系とブーム座標系との関係を説明する。

第５図ａに示す如くｚ軸上にあるブームの先端
位置をP₀とするとき、まず、ブームをｘ−ｚ平
面でスイングさせて上記先端位置をP₁に移動し、
次に、第５図ｂに示す如くブームをｙ−ｚ平面と
平行にリフトさせ、先端位置をP₂に移動させた
場合を考えると、直角座標系Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，
φ）で与えられるP₂点の位置と方向は、ブーム
座標系Pθ（θ₁〜θ₄，l_s）を用いれば次式で表わさ
れる。なお、l₁，l₂，l_sは、第１ブーム１２、第
２ブーム１３、第２ブーム１３の先端からガイド
セル１４の先端までの各々の長さを表わす。

ｘ＝l₁sinθ₁cosθ₂＋｛l₂sinθ₁＋l_ssin（θ₁＋θ₃）
｝cos（θ₂＋θ₃）ｙ＝l₁cosθ₁sinθ₂＋｛l₂cosθ₁＋l_scos（θ₁＋θ₃）
｝sin（θ₂＋θ₄） l₁cosθ₁cosθ₂＋｛l₂cosθ₁＋l_scos（θ₁＋θ₃）｝cos
（θ₂＋θ₄） θ＝θ₁＋θ₃ φ＝θ₂＋θ₄ そうして、この場合、ブーム手段２はサーキユ
ラー９により水平軸（ｚ軸）を中心に回転するか
ら、次に、上記P₂点から回転角αだけ移動した
先端位置P₃（図示省略）の直角座標系Ｐ（Ｘ，Ｙ，
Ｚ，Θ，Φ）での値についてみる。まず、位置
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は次式で与えられる。

Ｘ＝xcosα−ysinα ……(1) Ｙ＝xsinα＋ycosα ……(2) Ｚ＝ｚ ……(3) そして、位置P₃の方向（Θ，Φ）については、
上記位置P₂の原点Ｏからの位置と方向（ベクト
ル）がわかるから、P₂から方向（θ，φ）での
仮想距離l₀の位置P′₂は、ベクトルＯＰ２――――→と
P2P2′―――――→の和で与えられ、また、このP′₂に
回
転角αをもつて対応するP′₃の位置も上記式(1)〜
(3)と同様のやり方で得られる。従つて、ベクトル
OP′3――――→と上記式(1)〜(3)から与えられるベク
トル
OP3――――→とがわかるから、その差を求めれば位置
P₃の方向（Θ，Φ）がθ，φ，αを用いて表わ
される。つまり、P₃の直角座標系Ｐ（Ｘ，Ｙ，
Ｚ，Θ，Φ）の値は、ブーム座標系（θ₁〜θ₄，
α，l_s）を用いて表わされる（具体的な変換式は
省略する）。

しかして、上記ガイドセル１４の先端部上面に
は、上記計測用位置決め点７からトンネル内周面
８までの最短距離、つまり、計測用位置決め点７
からトンネル断面上のトンネル内周面８の計測点
２９までの距離l′を求めるための計測機２６が設
けられている。この計測機２６は第６図に拡大し
て示す如く超音波距離計測装置２７と傾斜計２８
とからなる。すなわち、超音波距離計測装置２７
は、ガイドセル１４の上面からその垂直方向に超
音波を発信する発信部と、その反射波を受信する
受信部とを有し、上記計測用位置決め点７から超
音波受発信方向のトンネル内周面８までの距離ｌ
を計測するものである。また、傾斜計２８はガイ
ドセル１４の上面の水平に対する傾斜角β、つま
りは超音波受発信方向を検出するポテンシヨメー
タである。よつて上記実測距離ｌと傾斜角βから
最短距離l′は次式で得られる。

l′＝lcosβ ……(4) 従つて、直角座標系で与えられたさく孔点の位
置と方向並びに計測用位置決め点の位置に対する
ブーム手段２の制御は、座標変換器（Ｐ−Pθ）
と、角度θ₁〜θ₄、α及び長さl_sの位置決め手段が
あれば基本的には達成できる。また、トンネル内
周面８の計測点２９の値は計測用位置決め点７の
値と、超音波計測による距離ｌと、傾斜計２８に
よる傾斜角βがわかればそれから演算により得ら
れる。本実施例の場合、位置決めにあたつては、
ブーム座標系の値をブーム手段２の各ブームの回
転角度に対応するエンコーダ制御量Eθに変換し
て用いるようにしていて、上記サーキユラー９お
よび回転軸１０の軸受部、第１ブーム１２、第２
ブーム１３およびセルマウンテイング１５の各支
軸部にはエンコーダ２５が取り付けられている。

次に、第１図に示す制御系等の具体的内容を説
明するに、まず位置決め制御系３において、３０
は第１メモリ手段であり、上記仮想さく孔面上で
さく孔パターンに応じて設定される多数のさく孔
点の位置および方向、並びにトンネル断面上で計
測パターンに応じて設定される多数の計測用位置
決め点の位置を直角座標系Ｐの値で記憶するもの
であり、かかる情報はキー入力される。また、第
１メモリ手段３０は中央処理装置３１からの作動
指令信号を受けてさく孔点、計測用位置決め点の
値を変換器３２に出力する。

変換器３２は、直角座標系Ｐで与えられた値を
ブーム座標系Pθの値に変換する第１変換部３２
ａと、ブーム座標系Pθの値をエンコーダ制御量
Eθに変換する第２変換部３２ｂとを備え、中央
処理装置３１からの指令信号を受けて作動し、第
１レジスタ３３にさく孔点、計測用位置決め点の
値を出力する。第１変換部３２ａにはブーム１
２，１３の長さl₁，l₂に関する情報が第２レジス
タ３４から与えられる。また、第２変換部３２ｂ
には第３レジスタ３５からブーム基準角度でのエ
ンコーダ値E₀と分解能ΔE₀（ブーム角度／エンコ
ーダ値）とが与えられる。

３６は位置決めサーボ制御装置であり、第１レ
ジスタ３３から各さく孔点、計測用位置決め点に
関するエンコーダ制御量Eθを取り出し、ブーム
手段２の各シリンダ１６〜２０を作動せしめるも
のである。この場合、16進法で与えられるエンコ
ーダ制御量Eθは２進法に演算されて位置決めサ
ーボ制御装置３６からブーム手段２に与えられ、
ブーム手段２のエンコーダ２５から与えられるブ
ーム手段２の作動した値は演算器３７にて２進法
から16進法に演算されて位置決めサーボ制御装置
３６へフイードバツクされる。

また、さく岩機制御装置４は、ブーム手段２の
さく岩機１の作動を制御するもので、位置決めサ
ーボ制御装置３６からのさく孔点位置決め終了信
号を受けてさく岩機１にさく孔作業を行なわし
め、各さく孔作業終了信号を位置決めサーボ制御
装置３６および中央処理装置３１へ出力する。

次に、トンネル断面計測系５において、上記超
音波距離計測装置２７と傾斜計２８は、位置決め
サーボ制御装置３６からの計測用位置決め点７へ
の各位置決め終了信号に基づき、それぞれ演算手
段４０へ計測距離ｌ、傾斜角βのデータを与え
る。演算手段４０は、計測用位置決め点７に関す
る位置データが直角座標系Ｐで与えられていて、
まず上記ｌとβとから計測用位置決め点７から計
測点２９に至る最短距離l′を算出し、これを計測
用位置決め点７の位置データに加算して計測点２
９を直角座標系Ｐの値で求めるものである。この
演算した各計測点２９の値は第２メモリ手段４１
に記憶される。また、４２は画像処理装置であつ
て、全計測用位置決め点７からの断面計測完了
後、第２メモリ手段４１から計測データを取出し
てトンネル断面形状を画像で表示し、理想とする
トンネル断面形状を予め入力しておいて比較分析
に供するものである。

従つて、上記実施例の場合、まず、さく孔パタ
ーンに基いて、さく孔点情報を直角座標系Ｐの値
からブーム座標系Pθの値を経てエンコーダ値Eθ
に変換し、第１レジスタ３３を介し位置決めサー
ボ制御装置３６へ送り、ブーム手段２を順次さく
孔点に位置決めしてさく孔作業を行なうことにな
る。そして、全さく孔作業完了後、装薬、爆破に
よりトンネル６を形成する。

次に、今度は計測パターンに基いてさく孔の際
と同様の位置決めをなし、超音波距離計測装置２
７による計測値距離ｌと傾斜角βで補正し、その
補正した値を計測用位置決め点の値に加算し、ト
ンネル内周面８の各計測点２９の直角座標系Ｐで
の値を順次記憶していく。そして、全計測用位置
決め点７からの計測完了後、トンネル断面形状の
画像処理を行ない、理想断面形状との比較から切
羽面各部の岩質の差異を判断し、次のさく孔パタ
ーン設定ないし装薬量設定のデータとする。つま
り、実際のトンネル断面形状において、理想断面
形状よりも内側に出張つた部分は岩質が硬いか装
薬不足などの結果と判断でき、また、理想断面形
状よりも外側へ膨んだ部分は、岩質が軟かいか装
薬過多などの結果と判断でき、続くトンネル掘さ
くにおいて、さく孔位置、さく孔方向あるいは装
薬量の変更により、トンネル断面形状が理想断面
形状に近づくようにする。

なお、上記実施例では、断面計測用のブーム位
置決めにあたつて、サーキユラーを利用して超音
波受発信方向をトンネルのサイドに向けるように
したが、トンネルの高さの測定にあたつてはサー
キユラーを用いずに超音波受発信方向が上向きと
なるようにブーム手段の位置決めをすればよい。
また、ガイドセルが常に水平となるように位置決
めをなせば、傾斜計を用いずともトンネル高さの
計測ができる。

また、計測用位置決め点に対してブーム手段を
位置決めした際のブーム作動量から超音波受発信
方向を算出することにより、傾斜計を省略するこ
とも可能である。

また、上記実施例では、第１メモリ手段３０お
よび変換器３２の２つの制御要素と中央処理装置
３１など他の制御要素とを一つの制御系として構
成しているが、この第１メモリ手段３０と変換器
３２とは中央処理装置３１側の制御系から切離し
て別処理、つまり、さく岩機用作業台車１１とは
別体としてもよい。その場合、さく孔点情報を貯
えた第１レジスタ３３に対して中央処理装置３１
から作動指令を与えるようにすればよい。

また、断面計測のため演算手段４０は第２メモ
リ手段４１の後に設け、第２メモリ手段４１では
計測用位置決め点からの計測距離を記憶し、画像
処理前にこの計測距離と計測用位置決め点のデー
タから直角座標系の値でトンネル断面上の計測点
の値を求めるようにしてもよい。

（発明の効果）本発明によれば、さく岩機を乗架したブーム手
段を用いてトンネルの断面計測を行なうから、専
用の計測装置を用いる必要がなくて断面計測が簡
易となる。また、ブーム手段を計測用位置決め点
に位置決めした後、超音波による距離計測を行な
うから、この計測距離を短くして誤計測を防止す
ることができ、さない、計測用位置決め点を予め
設定するから、トンネル内周面の計測点間隔の不
揃いもなく、精度の高い安定したトンネル断面の
計測データが得られる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は制御系
統図、第２図はトンネル断面の計測パターンを示
す断面図、第３図はさく岩機とそのブーム手段の
側面図、第４図はさく岩装置の使用状態を示す概
略図、第５図ａ，ｂはブームの変位状態を示す概
略図、第６図はガイドセルに取り付けた計測機を
示す側面図である。１……さく岩機、２……ブーム手段、３……位
置決め制御系、５……断面計測系、６……トンネ
ル、７……計測用位置決め点、８……トンネル内
周面、２７……超音波距離計測装置、２９……計
測点、３０……第１メモリ手段、３２……変換
器、３６……位置決めサーボ制御装置、４０……
演算手段。

Claims

【特許請求の範囲】

１さく岩機を乗架するブーム手段と、トンネル
内の切羽面直前に直角座標系で与えられるトンネ
ル断面上で設定される多数の位置決め点の位置を
ブームの座標系の値に変換する変換器と、この変
換器からの値によりブーム手段の位置決めを行な
う位置決め制御手段と、上記ブーム手段に設けら
れ超音波を発信する発信部と受信する受信部とを
有しブーム手段の上記位置決め後の作動により位
置決め点からトンネル内周面までの距離を算出す
る超音波距離計測手段と、この超音波距離計測手
段による算出値と超音波受発信方向と上記位置決
め点の値とから上記トンネル断面上でのトンネル
内周面計測点の値を直角座標系の値で算出する演
算手段とを備えていることを特徴とするさく岩機
用トンネル断面計測装置。