JPH0633705B2 - さく岩機用さく孔装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はさく岩機用さく孔装置に関し、詳しくは、トン
ネルの実断面形状を基に次回の目標さく孔点の位置を決
定する手段を備えたさく孔装置に関する。これは、トン
ネル内の岩盤をブームに乗架されたさく孔機でドリルす
るさく岩機の分野で利用されるものである。

（従来の技術） さく岩機には、切羽に多数の発破孔を形成させるさく孔
機が取付けられ、それが油圧シリンダなどからなるブー
ム手段を介してその位置と角度や方向が変えられるよう
になっている。さく孔作業は、所望のトンネル断面形状
を得るため、予め設定されたさく孔位置において、さく
孔機に取付けられたビットを設定された角度および方向
に進出させることによって行なわれる。このようなさく
孔機を上記設定さく孔位置に自動的に導く自動さく孔装
置として特開昭５８−１３８８９４号公報で開示された
ものが知られている。

ところで、このようなさく孔機で岩盤に発破孔をさく孔
して発破によりトンネルを掘削する場合、複数の発破孔
のうちトンネル断面の周縁部近傍に位置するものの位置
設定が、発破後のトンネルの断面形状に大きく影響す
る。例えば、切羽の岩盤が均質なときには予め設定した
目標位置にさく孔すれば、ほぼ予定した形状のトンネル
断面を得ることができる。しかし、岩盤強度が切羽面に
おいて一様でないと、上記設定目標位置をさく孔しても
発破後のトンネル周縁形状に凹凸が生じる。すなわち、
予期したよりも硬い部分は上記予定断面より内側に残っ
てしまい、軟らかい部分は上記予定断面より外側まで破
壊される。このため、上記内側に残った箇所は別途削り
取り作業が必要とされ、破壊し過ぎた箇所にはトンネル
壁を形成するためのセメントなどの資材や作業が過剰に
必要となる。

このような手間と無駄をできるだけ軽減するために、従
来から、次回のさく孔位置を人間の勘により修正するこ
とが行なわれている。すなわち、トンネル断面形状を定
期的に計測し、その計測値と岩質などを考慮してオペレ
ータの経験と勘から、次回のさく孔における追さく孔の
要否やその位置を決定する。したがって、次回のさく孔
においては、設定目標位置以外の個所がマニアル操作に
よる指令で追さく孔されたり、また必要に応じて設定位
置の幾つかが省かれたりする。

しかし、そのような作業によってもトンネル断面の形状
精度がばらつき易く、また、オペレータの技量や判断が
時として相違する。さらには、熟練オペレータの減少な
どから、ますます所望の形状を迅速に得ることが難しく
なってきている。その上、追さく孔作業などのために、
さく孔機を乗架したブームの作動をマニアル操作で指令
することが要求され、粉塵の飛散する極めて苛酷な環境
での作業が依然として余儀なくされる問題がある。

また、上記の公報で開示された自動さく孔装置に対し、
フィードバック制御の適用により、トンネルの実断面形
状を理想断面形状に近付けることも考えられる。しか
し、岩盤トンネルの掘削においては、岩質が切羽面で一
様ではなく、その予測も困難なことから、単にフィード
バック制御を適用してある制御量を目標値に収束させよ
うとしてもても、理想断面形状を得ることはできない
上、フィードバック制御自体を成立させることはできな
い。

すなわち、理想断面形状を目標値とし、上記実断面形状
を制御量として両者を一致するようフィードバックの適
用を考えた場合、上記実断面形状自体は制御対象となり
得ないためフィードバック制御を成立させることはでき
ず、また、さく孔機のさく孔点位置の変動量を制御量と
し、上記理想断面形状を目標値としてフィードバック制
御の適用を考えた場合、上記制御量自体と目標値との間
に関係はなく、制御量と目標値とを一致させるというこ
とはできない。さらに、理想断面形状に対応する基準さ
く孔点の位置を目標値とし、実断面形状の計測値を制御
量としてフィードバック制御の適用を考えた場合、上述
のごとく切羽面の岩質は一様ではなく上記実断面形状を
制御対象とすることはできないためフィードバック制御
を成立させることはできない。

（発明の目的） 本発明は上述の問題に鑑みなされたもので、その目的
は、オペレータの経験や勘に頼ることなく、理想的なト
ンネル断面形状を得るための自動制御を可能とすること
にある。

（発明の構成） 上記目的を達成するために、特許請求の範囲記載の発明
は、第１図に示すように、さく孔機２を変位可能に支持
するブーム手段３と、トンネルの実断面が理想断面に対
応したものとなるように仮想切羽に予め設定された多数
の基準さく孔点の位置および方向とトンネルの理想断面
周縁位置とを記憶するメモリ手段１と、上記さく孔機２
を基準さく孔点に基く目標さく孔点位置および方向に導
くよう上記ブーム手段３を作動させる位置決めサーボ制
御手段４と、上記さく孔機２を目標さく孔点位置および
方向に位置付けるための上記ブーム手段３の作動量の情
報を上記位置決めサーボ制御手段４に入力するフィード
バック手段５と、トンネルの実断面周縁位置を計測する
トンネル形状計測手段６と、このトンネル形状計測手段
６により計測されるトンネルの実断面周縁位置と上記メ
モリ手段１から出力されるトンネルの理想断面周縁位置
とに基いて、上記メモリ手段１から出力される基準さく
孔点の位置を補正するさく孔位置補正手段７とを備える
ものとする。

そして、上記さく孔位置補正手段７に、上記トンネルの
実断面周縁位置と上記トンネルの理想断面周縁位置との
誤差を演算するさく孔位置誤差演算部と、上記誤差に基
いて上記基準さく孔点の位置を補正して目標さく孔点の
位置を決定するさく孔位置補正部とを備える。加えて、
上記位置決めサーボ制御手段４を、この補正された目標
さく孔点の位置に上記さく孔機２を導く構成とするもの
である。

上記の構成では、トンネル形状計測手段により計測され
た今回のさく孔点位置に基くトンネルの実断面周縁位置
と、理想断面周縁位置との比較からさく孔位置誤差演算
部で両者の誤差が演算され、この誤差に基いて基準さく
孔点位置が補正されて目標さく孔点位置が決定される。
つまり、計測値である実断面周縁位置と記憶された理想
断面周縁位置との２つの値を基にして、１回のさく孔に
より形成される切羽ごとに、目標値としての基準さく孔
点位置がその都度補正されて目標さく孔点位置が自動的
に決定される。しかも、この各補正は、前回の目標さく
孔点位置を基準として行われるのではなく、当初の岩質
に基き理想断面と対応するよう予め設定された基準さく
孔点位置を基準として毎回行われるため、岩質の部分的
なずれに基く実断面形状の変化の修正が迅速かつ確実に
行われる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基いて詳細に説明する。

第２図は本発明の実施例に係るさく岩機用さく孔装置に
よるさく孔制御系統図であり、このさく孔装置は、予め
設定された多数の目標さく孔点からなる目標さく孔パタ
ーンと理想断面周縁位置とを記憶するメモリ手段１と、
さく孔機２をブーム手段３を用いて所望位置に移動させ
る位置決めサーボ制御手段４と、さく孔機２の位置を検
出するフィードバック手段５と、前回のさく孔により得
られたトンネルの実断面形状を計測するトンネル形状計
測手段６と、次回のさく孔作業ための目標さく孔点位置
を補正するさく孔位置補正手段７とを主たる構成として
備えている。

上記メモリ手段１は、多数の基準さく孔点の位置とその
さく孔角および方向との情報と、理想的なトンネル周縁
位置を記憶するもので、所定の値がダイヤルやキーボー
ドなどを介して自由に入力されるようになっている。基
準さく孔点情報は、岩盤が均質であれば理想的なトンネ
ル断面が得られるであろうさく孔パターンＰ（Ｘoi，Ｙ
oi，Ｚoi，θoi，φoi）により表され、予め調査された
岩質データに基き予め定められている。また、トンネル
周縁位置のデータは、所望する理想的なトンネル形状に
おける周縁値Ｐ（Ｘaj，Ｙaj，Ｚaj）で表される。これ
らは、切羽における直角座標系において設定された値
で、Ｘ，Ｙは仮想切羽における左右および上下方向を、
Ｚはトンネル軸方向を、θはさく孔角を、φはさく孔角
方向を示している。なお、添字のｉは１からｎまでの数
字で、切羽にｎ個のさく孔点があることを意味する。ま
た、後者の添字のｊは１からｋまでの数字で、第３図に
示すように、トンネルの理想的な周縁で円弧状に並ぶｋ
個の代表的な周縁点があることを意味する。

位置決めサーボ制御手段４は、メモリ手段１からのさく
孔パターンＰに基いて、さく孔機２を移動させるべくブ
ーム手段３に作動指令を発するものである。その指令
は、ブーム手段３を構成する幾つかのブームに所望の変
位角を与えるために、駆動用油圧シリンダのピストンの
作動量を決定したり、さく孔機２を前後進させるガイド
セル用のシリンダの作動量を決定するものである。

ここで、この制御手段４は、直角座標系のさく孔パター
ンＰではブーム手段３を直接作動させることができない
ので、メモリ手段１との間には座標変換手段８が設けら
れている。この座標変換手段８は、メモリ手段１からさ
く孔位置補正手段７を介してまたは介さずして提供され
る後述の目標さく孔点情報や基準さく孔点情報Ｐ（Ｘo
i，Ｙoi，Ｚoi，θoi，φoi）などの直角座標系の情報
を、ブームの作動に適したブーム系の情報Ｐθ（θai，
θbi，θci，θdi，θsi）に変換するものである。な
お、θai，θbi，θci，θdiはブーム手段３のアームの
変位角度、θsiはガイドセルの移動量である。

フィードバック手段５は、ブーム手段３の作動量を位置
決めサーボ制御手段４に逐次入力し、さく孔機２が指令
された位置に移動するように油圧シリンダなどの作動を
所望値とするための情報を提供するものである。すなわ
ち、各ブームの油圧シリンダおよびガイドセル用のシリ
ンダの変位信号を受けてブームの変位角などがエンコー
ダで検出され、それらをフィードバックしてさく孔機を
切羽の所定位置に到達させることを補助する。

トンネル形状計測手段６は、前回のさく孔と発破とによ
り得られたトンネルの実断面形状を計測し、その計測値
を用いて基準さく孔点情報を補正して次回の目標さく孔
点の位置を決定するためのデータを提供するものであ
る。これは、トンネルの実断面周縁位置を基準位置から
計測すればよいので、公知の種々の方法や装置が採用さ
れる。本例ではブーム手段３を操作レバー９で作動指令
して計測し、前述したフィードバック手段５に、そのデ
ータの伝達機能を持たせている。したがって、その計測
値は前述したブーム系で与えられ、ｊ位置においてはPr
θ（θarj ，θbrj ，θcrj ，θdrj ，θsrj ）とな
る。この計測値は上述した座標変換手段８により、直角
座標系Pr（Ｘrj，Ｙrj，２rj，θrj，φrj）に変換さ
れ、さく孔位置補正手段７に入力される。なお、計測は
切羽の全周にわたって行なってもよいが、理想断面周縁
位置から外れている個所を発見できれば、その位置にお
いてのみ行なえば十分である。

さく孔位置補正手段７は、上記トンネル形状計測手段６
からのトンネルの実断面周縁位置とメモリ手段１から出
力される理想断面周縁位置とを比較演算し、次回のさく
孔においてメモリ手段１から出力される基準さく孔点情
報Ｐ（Ｘoi，Ｙoi，Ｚoi，θoi，φoi）を補正するもの
である。そのために補正手段７は、上記トンネルの実断
面周縁位置と理想断面周縁位置との誤差を演算するさく
孔位置誤差演算部７ａと、上記誤差に基いて上記基準さ
く孔点情報を補正して目標さく孔点情報を演算するさく
孔位置補正部７ｂとが設けられている。本例では、補正
の必要がないときもメモリ手段１からのさく孔情報Ｐを
座標変換手段８に伝達することができるようになってい
る。

もう少し詳しく述べれば、上記さく孔位置誤差演算部７
ａは、座標変換手段８から入力されたPr（Ｘrj，Ｙrj，
Ｚrj）と、メモリ手段１に記憶された理想的な周縁値Ｐ
（Ｘaj，Ｙaj，Ｚaj）とから、トンネルの周縁位置ｊに
おける誤差ΔＸｊ＝Ｘrj−Ｘaj，ΔＹｊ＝Ｙrj−Ｙaj，
ΔＺｊ＝Ｚrj−Ｚajを演算し、それらを上記さく孔位置
補正部７ｂに出力する。そして、このさく孔位置補正部
７ｂは、その誤差を用いてｊとｉとが一致する場合にＸ
ｉ＝Ｘoi−ΔＸｊ，ＹＩ＝Ｙoi−ΔＹｊ，Ｚｉ＝Ｚoi−
ΔＺｊを演算し、これに基いて補正された目標さく孔点
情報Ｐ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ，θｉ，φｉ）を出力するよ
うになっている。なお、θｉとφｉは補正の対象でない
ので、θｉ＝θoi，φｉ＝φoiとされる。また、ΔＸｊ
＝０，ΔＹｊ＝０，ΔＺｊ＝０である場合、上記目標さ
く孔点情報Ｐ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ，θｉ，φｉ）は基準
さく孔点情報であるさく孔パターンＰ（Ｘoi，Ｙoi，Ｚ
oi，θoi，φoi）と一致することになるため、上記目標
さく孔点情報として基準さく孔点情報が用いられること
になる。

つまり、上記さく孔位置補正手段７では、目標さく孔点
情報が前回の目標さく孔点情報に基き補正されるのでは
なく、その都度、基準さく孔点情報に基き補正されるよ
うになっている。

上述の各構成に加えて、さく孔制御手段１０が設けられ
ている。これは、位置決めサーボ制御手段４からの信号
を受けて、さく孔機２を作動させるものである。すなわ
ち、位置決めサーボ制御手段４によりさく孔機２が切羽
の所定位置に到達すると、ガイドセル上に乗架されたさ
く孔機２の作動に必要な制御量が与えられる。それによ
りフィードモータが駆動され、さく孔機２が前進すると
共に先端のビットが回転し、所定のさく孔が行なわれる
ようになっている。そして、１つのさく孔が完了する
と、装置全体の制御指令を発する中央処理装置１１に、
終了信号が出力されるようになっている。

上記構成の実施例では、次のようにして基準さく孔点の
位置に基いて目標さく孔点の位置が決定される。まず、
前回のさく孔とそれによる発破で形成されたトンネル周
縁から、岩盤の硬軟などにより理想通りの断面となって
いない位置、例えばｊ＝６を見出す。オペレータがトン
ネル形状計測手段６の操作レバー９を用いてブーム手段
３を、第３図に示すｊ＝６の位置に移動する［第４図の
フローチャートにおけるステップ１、以下、Ｓ１と記
す］。予め設定されているブーム手段３の基準位置から
の各シリンダの作動量をエンコーダで検出し、その値ｐ
θ（θar6 ，θbr6 ，θcr6 ，θdr6 ，θsr6 ）が計測
される［Ｓ２］。これが座標変換手段８に入力され、さ
く孔位置補正手段７において誤差の演算を可能にするた
めに、直角座標系Pr（Ｘr6，Ｙr6，Ｚr6，θr6，φr6）
に変換され、Ｘr6，Ｙr6，Ｚr6が求められる［Ｓ３］。
一方、メモリ手段１からは、理想断面周縁位置Ｐ（Ｘa
j，Ｙaj，Ｚaj）が呼び出され［Ｓ４］、そのｊ＝６の
位置におけるＸa6，Ｙa6，Ｚa6から、誤差ΔＸ６，ΔＹ
６，ΔＺ６がさく孔位置誤差演算部７ａで演算される
［Ｓ５］。これがさく孔位置補正部７ｂに入力され、メ
モリ手段１からＸo6，Ｙo6，Ｚo6が読み取られると［Ｓ
６］、位置ｊ＝６における補正された目標さく孔点情報
Ｐ（Ｘ６，Ｙ６，Ｚ６，θ６，φ６）が得られる［Ｓ
７］。

この値は次回のさく孔作業におけるｊ＝６の位置で採用
されるので、図示しないレジスタなどに貯えられる。他
の位置についても必要があれば、同様にしてＰが修正さ
れる。その結果、例えば第３図に示す前回のさく孔点Ａ
が、内側の点Ｂに移されることになる。

さく孔作業においてｉ＝１から作業が進み、中央処理装
置１１から例えばｉ＝５の位置のさく孔が指令される
と、メモリ手段１からＰ（Ｘo5，Ｙo5，Ｚo5，θo5，φ
o5）が引き出され、補正の必要がなければさく孔位置補
正手段７で単にＰ（Ｘ５，Ｙ５，Ｚ５，θ５，φ５）に
置き換えられて座標変換手段８に入力される。ブーム系
によるＰθ（θa5，θb5，θc5，θd5，θs5）に変換さ
れると、それがレジスタに貯えられ、位置決めサーボ制
御手段４が各駆動シリンダを作動させ、さく孔機２が所
望位置に移動される。次のｉ＝６においては、上述の説
明で修正されたＰ（Ｘ６，Ｙ６，Ｚ６，θ６，φ６）
が、Ｐθ（θa6，θb6，θc6，θd6，θs6）に変換さ
れ、その指令値に従ってさく孔機２が所望位置に移動さ
れる。いずれのさく孔においても、各シリンダのピスト
ンの変位よりブームの角度などが検出され、さく孔機位
置決め制御手段４にフィードバックされる。この位置決
めが終わると、さく孔制御手段１０によりさく孔機が制
御され、さく孔作業が開始される。１つのさく孔作業が
終了すると、終了信号が中央処理手段１１に与えられ
る。順次ｉ＝１からｎまで繰り返されると、目標さく孔
点情報に基くさく孔パターンに従った１切羽におけるさ
く孔作業が完了される。この目標さく孔点での発破によ
り得られる実断面形状を理想断面形状に近付けることが
できる。従って、オペレータの経験や勘に頼ることな
く、理想的なトンネル断面形状を得るためのさく孔作業
の自動制御が可能となる。

しかも、上記の目標さく孔点位置の決定は、前回の目標
さく孔点位置を基準として行われるのではなく、調査さ
れた岩質データに基き理想断面と対応するよう予め設定
された基準さく孔点位置を基準として毎回行われるた
め、岩質の部分的なずれに基く実断面形状の変化の修正
を迅速かつ確実に行うことができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、さく孔位置補正
手段を備えこのさく孔位置補正手段によって、トンネル
形状計測手段により計測される今回のさく孔点位置に基
くトンネルの実断面周縁位置と、理想断面周縁位置と比
較して基準さく孔点位置をその都度補正して次回の目標
さく孔点位置を決定するようにしているため、オペレー
タの経験や勘に頼ることなく、そのときのさく孔段階の
切羽の実際の岩質に応じて基準さく孔点を逐次迅速に修
正して理想断面形状が得られる最適な目標さく孔点情報
を自動的に決定することができる。その結果、マニアル
操作による追さく孔作業の手間や破壊しすぎに伴う資材
の無駄な使用を省略することができ、さく孔機による理
想断面形状に近いトンネル断面へのさく孔の自動制御を
実現することができる。

しかも、上記の目標さく孔点位置の決定を、前回の目標
さく孔点位置を基準として行うのではなく、調査された
岩質データに基き理想断面と対応するよう予め設定され
た基準さく孔点位置を基準として毎回行うようにしてい
るため、岩質の部分的なずれに基く実断面形状の変化の
修正を迅速かつ確実に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のさく岩機用さく孔装置における構成
図、第２図はさく孔制御系統図、第３図はさく孔位置の
補正要領を示す切羽の概略図、第４図はさく孔点の位置
補正手順を示すフローチャートである。 １……メモリ手段、２……さく孔機、３……ブーム手
段、４……位置決めサーボ制御手段、５……フィードバ
ック手段、６……トンネル形状計測手段、７……さく孔
位置補正手段、７ａ……さく孔位置誤差演算部、７ｂ…
…さく孔位置補正部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】さく孔機を変位可能に支持するブーム手段
   と、 トンネルの実断面が理想断面に対応したものとなるよう
   仮想切羽に予め設定された多数の基準さく孔点の位置お
   よび方向と、トンネルの理想断面周縁位置とを記憶する
   メモリ手段と、 上記さく孔機を上記基準さく孔点位置および方向に基く
   目標さく孔点位置および方向に導くよう上記ブーム手段
   を作動させる位置決めサーボ制御手段と、 上記さく孔機を目標さく孔点位置および方向に位置付け
   るための上記ブーム手段の作動量の情報を上記位置決め
   サーボ制御手段に入力するフィードバック手段と、 トンネルの実断面周縁位置を計測するトンネル形状計測
   手段と、 このトンネル形状計測手段により計測されるトンネルの
   実断面周縁位置と上記メモリ手段から出力されるトンネ
   ルの理想断面周縁位置とに基いて、上記メモリ手段から
   出力される基準さく孔点の位置を補正するさく孔位置補
   正手段とを備えており、 上記さく孔位置補正手段は、上記トンネルの実断面周縁
   位置と上記トンネルの理想断面周縁位置との誤差を演算
   するさく孔位置誤差演算部と、上記基準さく孔点の位置
   を上記誤差分補正して目標さく孔点の位置を演算するさ
   く孔位置補正部とから構成されていることを特徴とする
   さく岩機用さく孔装置。