JP2019203328A - Monitoring system of tunnel working face, and monitoring method of tunnel working face - Google Patents

Monitoring system of tunnel working face, and monitoring method of tunnel working face Download PDF

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Abstract

To provide a monitoring system of a tunnel working face which can always measure displacement of the tunnel working face in a series of digging cycle (except blasting time) including after digging and after spraying concrete, besides can measure all displacement of the tunnel working face two-dimensionally, and a monitoring method of the tunnel working face for solving problems in the prior arts.SOLUTION: A monitoring method of a tunnel working face of present application invention is a method of monitoring a condition of the tunnel working face, and is a method having an observation process and an analysis process. In the observation process of these, a radar antenna which is set on an inner face of a tunnel behind the tunnel working face radiates electric waves on the tunnel working face continuously (or periodically, or intermittently), and receives reflected waves which have scattered by the tunnel working face. In the other analysis process, displacement of the tunnel working face is calculated by analyzing the reflected waves that the radar antenna has received.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本願発明は、トンネル切羽の状態監視に関する技術であり、より具体的には、レーダーを利用してトンネル切羽の変位を常時監視することでトンネル切羽の状態を監視するトンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法に関するものである。   The present invention relates to a technique for monitoring the state of a tunnel face, and more specifically, a tunnel face monitoring system for monitoring the state of the tunnel face by constantly monitoring the displacement of the tunnel face using a radar, and the tunnel face It relates to a monitoring method.

我が国の国土はその2/3が山地であり、道路や線路などは必ずといっていいほど山地を通過する区間がある。そのため、国内の山岳トンネルの数は10,000を超えるといわれている。トンネルは、構築される場所によって都市トンネルと山岳トンネルに大別され、このうち都市トンネルはシールドマシンによって掘進するシールド工法によるのが一般的であり、一方の山岳トンネルはNATM(New Austrian Tunnelling Method)が現在では標準工法とされている。   Two-thirds of Japan's land is mountainous, and roads and railroads always have sections that pass through the mountainous area. For this reason, the number of mountain tunnels in Japan is said to exceed 10,000. Tunnels are broadly divided into urban tunnels and mountain tunnels depending on where they are constructed. Of these, urban tunnels are generally based on a shield construction method that uses a shield machine. One mountain tunnel is a NATM (New Australian Tunneling Method). Is now considered the standard method.

NATMは、地山が有する強度(アーチ効果)を活用することが一つの特徴であり、従来の矢板工法に比べトンネル支保工の規模を小さくすることができ、施工速度を上げることができるとともに、施工コストを減縮することができる工法として知られている。またNATMは、本格的に実施されて以来、飛躍的に掘削技術が進歩しており、種々の補助工法が開発されることによって様々な地山に対応することができるようになり、掘削機械(特に、自由断面掘削機)の進歩によって発破掘削のほか機械掘削も行われるようになった。機械掘削は、掘削断面積や線形にもよるが、一般的には地山の強度(例えば、一軸圧縮強度が49N/mm以下)に応じて採用される。 One of the features of NATM is that it uses the strength (arch effect) of natural ground, and it can reduce the scale of tunnel support work compared to the conventional sheet pile method, and can increase the construction speed. It is known as a construction method that can reduce the construction cost. In addition, since NATM has been implemented in earnest, excavation technology has dramatically improved, and various auxiliary construction methods have been developed to support various grounds. In particular, machine excavation as well as blast excavation has come to be performed with the progress of free section excavators. Although mechanical excavation depends on excavation cross-sectional area and alignment, it is generally adopted according to the strength of natural ground (for example, uniaxial compressive strength is 49 N / mm 2 or less).

ここでNATMによる掘削手順について簡単に説明する。はじめに、トンネル切羽の掘削を行う。発破掘削の場合は、ドリルジャンボによって削孔して火薬(ダイナマイト)を装填し、作業員と機械が退避したうえで発破する。一方、機械掘削の場合は、自由断面掘削機によってトンネル切羽を切削していく。所定長(通常は、1.0〜2.0m)の掘削を行うと、不安化した地山部分(浮石など)を落とし(こそく)ながらダンプトラック(あるいはレール工法)によってズリを搬出(ズリ出し)する。そしてズリ出し後に、1次コンクリート吹付を行い、必要に応じて鋼製支保工を建て、2次コンクリート吹付を行うとともにロックボルトの打設を行う。なお、1次コンクリート吹付と2次コンクリート吹付は、掘進した分のトンネル内周面(側壁から天端にかけた周面)に対して行われる。   Here, the excavation procedure by NATM will be briefly described. First, the tunnel face is excavated. In the case of blasting excavation, drilling is performed with a drill jumbo, and explosives (dynamite) are loaded. On the other hand, in the case of mechanical excavation, the tunnel face is cut by a free section excavator. When excavating for a predetermined length (usually 1.0 to 2.0 m), the dump truck (or rail method) is used to remove the sludge while dropping uneasy grounds (floating stones, etc.). Out). After slipping out, primary concrete is sprayed, steel support is built as necessary, secondary concrete is sprayed, and lock bolts are placed. In addition, primary concrete spraying and secondary concrete spraying are performed with respect to the tunnel inner peripheral surface (circumferential surface from the side wall to the top edge) for the amount of excavation.

NATMにおいてトンネル切羽を安定させることは、安全施工の意味からも極めて重要であり、地山強度や湧水、あるいはトンネル切羽の挙動等によっては、トンネル切羽に対して補助工法が行われる。例えば、トンネル切羽を安定させるためのコンクリート吹付(鏡吹付け)やロックボルト(鏡ボルト)の打設、水抜きボーリング、あるいは先受け工としてのフォアポーリングや長尺フォアパイリングなどが行われる。このうちトンネル切羽のコンクリート吹付は、段取りや作業が比較的容易であり、トンネル切羽の縦断方向(掘進方向)の緩みを抑えることができるうえ、トンネル切羽の肌落ちを防止することができ、膨張性地山の場合は空気や水分から隔離することができることから、実践的かつ効果的な補助工法といえる。   In NATM, stabilizing the tunnel face is extremely important from the viewpoint of safe construction, and depending on the strength of the ground, spring water, the behavior of the tunnel face, etc., an auxiliary construction method is performed on the tunnel face. For example, concrete spraying (mirror spraying) or rock bolts (mirror bolts) for stabilizing the tunnel face, draining boring, fore poling or long fore-piling as a receiving work are performed. Of these, the concrete spraying of the tunnel face is relatively easy to set up and work, and it can suppress loosening of the tunnel face in the longitudinal direction (digging direction), and can prevent the skin of the tunnel face from falling off and expand. In the case of natural ground, it can be isolated from air and moisture, so it can be said that it is a practical and effective auxiliary method.

またNATMは、計測工(A計測やB計測)を併用する工法であり、いわゆる情報化施工であって計測結果に応じて掘削パターンを変更し、あるいは補助工法を採用する。標準的な計測工としては、内空変位や天端沈下、地中変位、ロックボルト軸力といった計測が挙げられる。このように側壁や天端といったトンネル内周面に対する計測は標準的に行われる一方、トンネル切羽に関しては切羽観察が行われるものの変位計測など定量的な計測が標準的に行われることはなかった。これは、一連の掘削サイクルを実施する中でトンネル切羽の前には常に大型の機械が設置されていること、無支保のトンネル切羽には容易に人が近づけないこと、などが理由として考えられる。   Also, NATM is a construction method that uses a measurement method (A measurement or B measurement) in combination, and is a so-called information construction, which changes the excavation pattern according to the measurement result or adopts an auxiliary method. Standard measurement methods include measurements such as inner space displacement, crest depression, underground displacement, and rock bolt axial force. As described above, the measurement on the inner peripheral surface of the tunnel such as the side wall and the top end is performed as standard, whereas the face of the tunnel face is observed, but quantitative measurement such as displacement measurement is not performed as standard. This may be due to the fact that a large machine is always installed in front of the tunnel face during a series of excavation cycles, and that people cannot easily approach the unsupported tunnel face. .

既述したとおり、NATMにおいてトンネル切羽を安定させることは極めて重要であり、しがたってトンネル切羽に対して定量的な計測を行うことは極めて有益となる。そこで、これまでも掘削中のトンネル切羽を計測する種々の方法が提案されている。例えば特許文献1では、レーザー距離計によってトンネル切羽までの距離を計測することによって、トンネル切羽の押し出し量を監視する技術を提案している。   As described above, it is extremely important to stabilize the tunnel face in the NATM, and therefore it is extremely useful to perform quantitative measurement on the tunnel face. Thus, various methods for measuring the tunnel face during excavation have been proposed. For example, Patent Literature 1 proposes a technique for monitoring the amount of extrusion of the tunnel face by measuring the distance to the tunnel face with a laser distance meter.

特開2016−008399号公報JP, 2006-008399, A

一般にレーザー計測は、ターゲットレスで計測できることから近年では幅広く利用される手法となったが、特許文献1のように掘削中のトンネル環境下においてレーザー計測を行う場合、いくつか問題を指摘することができる。   In general, laser measurement has become a widely used technique in recent years because it can be measured without a target. However, when laser measurement is performed in a tunnel environment during excavation as in Patent Document 1, some problems may be pointed out. it can.

レーザー計測は、レーザーパルスを照射するとともにその反射波を受信し、照射時刻と受信時刻の差から対象物までの距離を求める手法である。したがって、レーザーパルスを照射した点のみの情報が得られるだけであって、例えばトンネル切羽に対して1のレーザーパルスを照射し1点の情報が得られたとしても、これをもってトンネル切羽全体を評価することはできない。もちろん、多数のレーザーパルスをトンネル切羽に照射することも考えられるが、特許文献1のようにトンネル切羽から離れた位置(70m)から多数のレーザーパルスを照射したとしても、ドリルジャンボやコンクリート吹付機が障壁となってトンネル切羽まで届かず、つまりトンネル切羽の計測ができない。   Laser measurement is a technique for irradiating a laser pulse and receiving a reflected wave thereof and obtaining a distance to an object from a difference between the irradiation time and the reception time. Therefore, it is only possible to obtain information on only the point irradiated with the laser pulse. For example, even if one laser pulse is irradiated to the tunnel face and information on one point is obtained, the entire tunnel face is evaluated with this information. I can't do it. Of course, it is conceivable to irradiate a large number of laser pulses to the tunnel face, but even if a large number of laser pulses are irradiated from a position (70 m) away from the tunnel face as in Patent Document 1, a drill jumbo or a concrete sprayer is used. Does not reach the tunnel face as a barrier, that is, the tunnel face cannot be measured.

レーザー計測から照射されるレーザーパルスの波長は著しく短く、数百nm〜数十μmの波長のものが一般的である。そのため、比較的反射しやすく、換言すれば透過しにくいという特徴を有している。掘削中のトンネルはいわば閉鎖された空間であり、掘削後(発破後や機械による切削後)にはその空間内に多くの粉塵が舞い、コンクリート吹付後にもトンネル切羽周辺は粉塵で覆われ視界も極めて悪くなる。すなわちレーザー計測によれば、特に掘削後やコンクリート吹付後においては、レーザーパルスが粉塵に遮られるためトンネル切羽まで到達せず、つまりトンネル切羽の計測ができない。   The wavelength of the laser pulse emitted from the laser measurement is remarkably short, and generally has a wavelength of several hundred nm to several tens of μm. For this reason, it is relatively easy to reflect, in other words, it is difficult to transmit. The tunnel that is being excavated is a closed space, and after excavation (after blasting or after cutting with a machine), a lot of dust flies in the space, and even after spraying concrete, the area around the tunnel face is covered with dust and the visibility is also reduced. It gets very bad. That is, according to laser measurement, especially after excavation or after spraying concrete, the laser pulse does not reach the tunnel face because it is blocked by dust, that is, the tunnel face cannot be measured.

本願発明の課題は、従来技術が抱える問題を解決することであり、すなわち掘削後やコンクリート吹付後を含む一連の掘削サイクル(発破時は除く)の中で常にトンネル切羽の変位を計測でき、しかもトンネル切羽全体の変位を面的に計測できるトンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法を提供することである。   The problem of the present invention is to solve the problems of the prior art, that is, the displacement of the tunnel face can always be measured in a series of excavation cycles (after blasting) including after excavation and after concrete spraying. To provide a tunnel face monitoring system and a tunnel face monitoring method capable of measuring the displacement of the entire tunnel face in a plane.

本願発明は、比較的長い波長(数mm〜数十mm)の電波を利用することとし、レーダーアンテナによってトンネル切羽の変位を面的に計測する、という点に着目してなされたものであり、これまでにない発想に基づいて行われた発明である。   The present invention has been made by paying attention to the fact that it uses radio waves of a relatively long wavelength (several mm to several tens of mm), and measures the displacement of the tunnel face by a radar antenna. It is an invention made on the basis of an unprecedented idea.

本願発明のトンネル切羽監視システムは、トンネル切羽の状態を監視するシステムであり、観測手段と解析手段を備えたものである。このうち観測手段は、トンネル切羽後方のトンネル内周面に設置され、トンネル切羽に電波を照射するとともにトンネル切羽で散乱した反射波を受信するレーダーアンテナからなる手段である。一方の解析手段は、レーダーアンテナが受信した反射波を解析することでトンネル切羽の変位を求める手段である。   The tunnel face monitoring system of the present invention is a system for monitoring the state of the tunnel face and includes observation means and analysis means. Among them, the observation means is a means that is installed on the inner peripheral surface of the tunnel behind the tunnel face and radiates radio waves to the tunnel face and receives a reflected wave scattered by the tunnel face. One analysis means is a means for obtaining the displacement of the tunnel face by analyzing the reflected wave received by the radar antenna.

本願発明のトンネル切羽監視システムは、解析手段が求めたトンネル切羽の変位に基づいて、小領域(トンネル切羽の分割領域)ごとに吹付けコンクリートの計画吹付厚を設定する吹付厚設定手段をさらに備えたものとすることもできる。   The tunnel face monitoring system according to the present invention further includes spray thickness setting means for setting the planned spray thickness of spray concrete for each small area (division area of the tunnel face) based on the displacement of the tunnel face obtained by the analysis means. It can also be

本願発明のトンネル切羽監視システムは、吹付厚管理手段をさらに備えたものとすることもできる。この場合の解析手段は、コンクリート吹付け前の反射波とコンクリート吹付け開始後の反射波に基づいて吹付けコンクリートの実績吹付厚を求める。そして吹付厚管理手段は、実績吹付厚が計画吹付厚に達したときに、小領域ごとに吹付けコンクリートの出来形達成情報を出力する。   The tunnel face monitoring system according to the present invention may further include spray thickness management means. The analysis means in this case obtains the actual spray thickness of the shotcrete based on the reflected wave before the concrete spraying and the reflected wave after the concrete spraying starts. And when the actual spray thickness reaches the planned spray thickness, the spray thickness management means outputs the finish achievement information of the spray concrete for each small area.

本願発明のトンネル切羽監視システムは、トンネル内周面に固定されたレールに沿って、レーダーアンテナを前後移動させる移動手段をさらに備えたものとすることもできる。なお、移動手段によって前方に移動させるとレーダーアンテナがトンネル切羽に接近し、移動手段によって後方に移動させるとレーダーアンテナがトンネル切羽から後退する。   The tunnel face monitoring system of the present invention may further include moving means for moving the radar antenna back and forth along a rail fixed to the inner peripheral surface of the tunnel. When the moving means moves forward, the radar antenna approaches the tunnel face, and when the moving means moves backward, the radar antenna moves backward from the tunnel face.

本願発明のトンネル切羽監視システムは、観測手段が略一列(一列を含む)に配置された複数のレーダーアンテナによって形成される非動作型の合成開口レーダーであるものとすることもできる。   The tunnel face monitoring system according to the present invention may be a non-operational synthetic aperture radar formed by a plurality of radar antennas in which the observation means is arranged in approximately one row (including one row).

本願発明のトンネル切羽監視方法は、トンネル切羽の状態を監視する方法であり、観測工程と解析工程を備えた方法である。このうち観測工程では、トンネル切羽後方のトンネル内周面に設置されたレーダーアンテナが、連続して(あるいは定期的に、又は断続的に)トンネル切羽に電波を照射するとともにトンネル切羽で散乱した反射波を受信する。一方の解析工程では、レーダーアンテナが受信した反射波を解析することでトンネル切羽の変位を求める。   The tunnel face monitoring method of the present invention is a method for monitoring the state of the tunnel face and is a method including an observation process and an analysis process. In the observation process, the radar antenna installed on the inner peripheral surface of the tunnel behind the tunnel face continuously (or periodically or intermittently) radiates radio waves to the tunnel face and reflects it scattered by the tunnel face. Receive waves. In one analysis process, the displacement of the tunnel face is obtained by analyzing the reflected wave received by the radar antenna.

本願発明のトンネル切羽監視方法は、吹付厚設定工程と吹付厚計測工程、鏡吹付け工程をさらに備えた方法とすることもできる。吹付厚設定工程では、解析工程で求めたトンネル切羽の変位に基づいて小領域ごとに吹付けコンクリートの計画吹付厚を設定する。また吹付厚計測工程では、コンクリート吹付け前にレーダーアンテナが受信した反射波とコンクリート吹付け開始後にレーダーアンテナが受信した反射波に基づいて吹付けコンクリートの実績吹付厚を求める。そして鏡吹付け工程では、小領域ごとの吹付けコンクリートの出来形達成情報に基づいてトンネル切羽にコンクリートの吹付けを行う。なお、吹付けコンクリートの出来形達成情報は、実績吹付厚が計画吹付厚に達したときに出力される。   The tunnel face monitoring method of the present invention can be a method further comprising a spray thickness setting process, a spray thickness measurement process, and a mirror spray process. In the spray thickness setting step, the planned spray thickness of the shotcrete is set for each small region based on the displacement of the tunnel face obtained in the analysis step. In the spray thickness measurement step, the actual spray thickness of the shot concrete is obtained based on the reflected wave received by the radar antenna before the concrete spray and the reflected wave received by the radar antenna after the concrete spray is started. In the mirror spraying process, the concrete is sprayed on the tunnel face based on the information on achievement of the sprayed concrete for each small area. In addition, the completion achievement information of shotcrete is output when the actual spray thickness reaches the planned spray thickness.

本願発明のトンネル切羽監視方法は、観測準備工程と退避工程をさらに備えた方法とすることもできる。観測準備工程では、トンネル切羽の発破後(あるいはズリ搬出後)に、トンネル切羽後方のトンネル内周面に固定されたレールに沿ってレーダーアンテナをトンネル切羽に接近するように移動させる。また退避工程では、トンネル切羽を発破する直前に、レールに沿ってレーダーアンテナをトンネル切羽から後退するように移動させる。なおこの場合、観測工程では、トンネル切羽に接近したレーダーアンテナが電波を照射するとともに反射波を受信する。   The tunnel face monitoring method of the present invention may be a method further comprising an observation preparation step and a evacuation step. In the observation preparation process, after the tunnel face is blasted (or removed), the radar antenna is moved so as to approach the tunnel face along a rail fixed to the inner peripheral surface of the tunnel behind the tunnel face. In the evacuation process, the radar antenna is moved along the rail so as to retreat from the tunnel face immediately before blasting the tunnel face. In this case, in the observation process, the radar antenna approaching the tunnel face irradiates the radio wave and receives the reflected wave.

本願発明のトンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法には、次のような効果がある。
(1)トンネル切羽の状態を観測することができるため、安定した掘削と安全な施工を実現することができる。
(2)レーダーアンテナを利用することによってトンネル切羽全体の変位を面的に計測することができ、この結果、トンネル切羽全体の状態を監視することができる。
(3)粉塵が多い掘削後やコンクリート吹付後であっても、トンネル切羽の変位を計測することができ、この結果、発破時を除く一連の掘削サイクルの中で常に(リアルタイムで)トンネル切羽の状態を観測することができる。
(4)従来、トンネル切羽へのコンクリート吹付は、施工者の経験と感覚、あるいは用意されるコンクリート量によってその出来形を管理していた。レーダーアンテナによって実績吹付厚を管理すれば、より適切なコンクリート吹付を行うことができ、より効果的な補助工法とすることができる。
(5)トンネル切羽の変位に応じて吹付コンクリートの計画吹付厚を設定し、これにしたがってコンクリート吹付を行うことで、より効率的かつ効果的なコンクリート吹付を行うことができる。
The tunnel face monitoring system and the tunnel face monitoring method of the present invention have the following effects.
(1) Since the state of the tunnel face can be observed, stable excavation and safe construction can be realized.
(2) By using the radar antenna, the displacement of the entire tunnel face can be measured in a plane, and as a result, the state of the entire tunnel face can be monitored.
(3) The displacement of the tunnel face can be measured even after excavation with a lot of dust or after concrete is sprayed. As a result, the tunnel face is always (in real time) in a series of excavation cycles excluding blasting. The state can be observed.
(4) Conventionally, the concrete spraying onto the tunnel face has been managed by the construction worker's experience and sense, or the amount of concrete prepared. If the actual spraying thickness is managed by the radar antenna, more appropriate concrete spraying can be performed, and a more effective auxiliary method can be achieved.
(5) A more efficient and effective concrete spraying can be performed by setting the planned spraying thickness of the sprayed concrete according to the displacement of the tunnel face and performing the concrete spraying according to this.

(a)はトンネル切羽を説明するトンネル縦断面図、(b)はトンネル内周面を説明するトンネル横断面図。(A) is a tunnel longitudinal cross-sectional view explaining a tunnel face, (b) is a tunnel cross-sectional view explaining a tunnel inner peripheral surface. 本願発明のトンネル切羽監視システムの主な構成を示すブロック図。The block diagram which shows the main structures of the tunnel face monitoring system of this invention. (a)は非動作型の合成開口レーダーとして形成された観測手段を模式的に示す部分断面図、(b)は動作型の合成開口レーダーとして形成された観測手段を模式的に示す部分断面図。(A) is a partial sectional view schematically showing an observation means formed as a non-operation type synthetic aperture radar, and (b) is a partial sectional view schematically showing an observation means formed as an operation type synthetic aperture radar. . トンネル切羽を格子状に分割して得られる小領域を示すモデル図。The model figure which shows the small area | region obtained by dividing | segmenting a tunnel face into a grid | lattice form. (a)はトンネル切羽の近くに配置された観測手段を示すモデル図、(b)は移動手段によってトンネル切羽付近から後方まで後退した観測手段を示すモデル図。(A) is a model figure which shows the observation means arrange | positioned near the tunnel face, (b) is a model figure which shows the observation means retreated from the tunnel face vicinity to back by the moving means. 本願発明のトンネル切羽監視方法の主な工程を示すフロー図。The flowchart which shows the main processes of the tunnel face monitoring method of this invention. 本願発明のトンネル切羽監視方法の主な工程を示すステップ図。The step figure which shows the main processes of the tunnel face monitoring method of this invention. (a)はトンネル切羽の近くに配置された観測手段が観測を行う状況を示すモデル図、(b)は次の掘削サイクルにおいてトンネル切羽の近くの観測手段が観測を行う状況を示すモデル図。(A) is a model figure which shows the condition where the observation means arrange | positioned near the tunnel face observes, (b) is a model figure which shows the condition where the observation means near the tunnel face observes in the next excavation cycle.

本願発明のトンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法の実施形態の例を図に基づいて説明する。なお本願発明のトンネル切羽監視方法は、本願発明のトンネル切羽監視システムを使用して行う方法である。したがって、まずは本願発明のトンネル切羽監視システムについて説明し、その後に本願発明のトンネル切羽監視方法について説明することとする。   An example of an embodiment of a tunnel face monitoring system and a tunnel face monitoring method according to the present invention will be described with reference to the drawings. The tunnel face monitoring method of the present invention is a method performed using the tunnel face monitoring system of the present invention. Therefore, first, the tunnel face monitoring system of the present invention will be described, and then the tunnel face monitoring method of the present invention will be described.

1.トンネル切羽監視システム
本願発明トンネル切羽監視システムは、トンネル内周面に設置された観測手段によってトンネル切羽の状態を監視するものである。ここで「トンネル切羽」とは、図1(a)のトンネル縦断面図に示すように掘削中のトンネルにおける最先端(最坑奥)にある地山面である。なお便宜上、掘削方向に合わせて、トンネル切羽に近づく方向を「前方」、坑口(掘削中のトンネル入り口)に近づく方向を「後方」ということとする。また、観測手段が設置される「トンネル内周面」とは、図1(b)のトンネル横断面図に示すように天端〜肩部〜側壁部を含む(土平を含んでもよい)面のことであり、いわばトンネル内空と地山との境界面である。
1. Tunnel Face Monitoring System The tunnel face monitoring system of the present invention monitors the state of the tunnel face by observation means installed on the inner peripheral surface of the tunnel. Here, the “tunnel face” is a natural ground surface at the forefront (backmost) of the tunnel being excavated, as shown in the longitudinal sectional view of the tunnel in FIG. For convenience, the direction approaching the tunnel face according to the excavation direction is referred to as “front”, and the direction approaching the wellhead (tunnel entrance during excavation) is referred to as “rear”. Further, the “tunnel inner peripheral surface” on which the observation means is installed is a surface including the top end—shoulder portion—side wall portion (may include horizon) as shown in the cross-sectional view of the tunnel in FIG. In other words, it is the interface between the sky inside the tunnel and the natural ground.

図2は、本願発明のトンネル切羽監視システムの主な構成を示すブロック図である。この図に示すようにトンネル切羽監視システム100は、観測手段110及び解析手段120を含んで構成され、さらに吹付厚設定手段130や適正吹付厚記憶手段140、吹付厚管理手段150、出力手段160、妥当性確認手段170、移動手段180を含んで構成することもできる。以下、本願発明のトンネル切羽監視システム100を構成する主な要素ごとに詳しく説明する。   FIG. 2 is a block diagram showing the main configuration of the tunnel face monitoring system of the present invention. As shown in the figure, the tunnel face monitoring system 100 includes an observation unit 110 and an analysis unit 120, and further includes a spray thickness setting unit 130, an appropriate spray thickness storage unit 140, a spray thickness management unit 150, an output unit 160, It can also be configured including validity checking means 170 and moving means 180. Hereinafter, each main element constituting the tunnel face monitoring system 100 of the present invention will be described in detail.

(観測手段)
観測手段110は、比較的長い波長(例えば、数mm〜数百mm)の電波を照射するとともにその反射波を受信するレーダーアンテナを用いたものであり、固定した(移動しない)1のレーダーアンテナを観測手段110とすることもできるが、図3に示すように合成開口レーダー(SAR:Synthetic Aperture Radar)として形成することが望ましい。なお、観測手段110を合成開口レーダーとして形成するには、図3(a)に示す「非動作型」とすることもできるし、図3(b)に示す「動作型」とすることもできる。
(Observation means)
The observation means 110 uses a radar antenna that irradiates a radio wave having a relatively long wavelength (for example, several mm to several hundred mm) and receives the reflected wave, and is a fixed (does not move) 1 radar antenna. Can be used as the observation means 110, but is preferably formed as a synthetic aperture radar (SAR) as shown in FIG. In order to form the observation means 110 as a synthetic aperture radar, it can be the “non-operation type” shown in FIG. 3A or the “operation type” shown in FIG. .

図3(a)に示す非動作型の合成開口レーダー(観測手段110)は、2以上(この図では5つ)のレーダーアンテナ111をトンネル横断方向(つまり、アジマス方向)に略一列(一列含む)に配置したものであり、これら複数のレーダーアンテナ111によって合成開口レーダーを形成する。なお、図3(a)に示すレーダーアンテナ111はアジマス方向に動作(移動)しないことから、「非動作型」の合成開口レーダーとした。   The non-operation type synthetic aperture radar (observation means 110) shown in FIG. 3A includes two or more (in this figure, five) radar antennas 111 substantially in a row (including one row) in the tunnel transverse direction (that is, in the azimuth direction). ) And a plurality of radar antennas 111 form a synthetic aperture radar. Since the radar antenna 111 shown in FIG. 3A does not move (move) in the azimuth direction, it is a “non-operation type” synthetic aperture radar.

一方、図3(b)に示す動作型の合成開口レーダー(観測手段110)は、1又は2以上(この図では1つ)のレーダーアンテナ111をトンネル横断方向(つまり、アジマス方向)に動作(移動)させることによって、すなわち衛星SARと同じ原理によって合成開口レーダーを形成するものである。なお、図3(b)に示すレーダーアンテナ111はアジマス方向に動作(移動)することから、「動作型」の合成開口レーダーとした。   On the other hand, the operation-type synthetic aperture radar (observation means 110) shown in FIG. 3B operates one or more (one in this figure) radar antennas 111 in the tunnel crossing direction (that is, in the azimuth direction) ( In other words, a synthetic aperture radar is formed by the same principle as the satellite SAR. Note that the radar antenna 111 shown in FIG. 3B operates (moves) in the azimuth direction, so that it is an “operation type” synthetic aperture radar.

観測手段110のレーダーアンテナ111は、連続して、あるいは定期的に、又は断続的に、電波をトンネル切羽に向けて照射し、そして電波がトンネル切羽で散乱した反射波を受信する。   The radar antenna 111 of the observation means 110 continuously, periodically, or intermittently radiates radio waves toward the tunnel face and receives reflected waves scattered by the tunnel face.

(解析手段)
解析手段120は、観測手段110(レーダーアンテナ111)が受信した反射波を解析することでトンネル切羽の変位を求める手段である。解析手段120が反射波を解析する手法としては種々の手法を採用することができ、例えば干渉SARによってトンネル切羽の変位を求めることもできる。
(Analysis means)
The analysis unit 120 is a unit for obtaining the displacement of the tunnel face by analyzing the reflected wave received by the observation unit 110 (radar antenna 111). Various methods can be employed as a method for the analysis unit 120 to analyze the reflected wave. For example, the displacement of the tunnel face can be obtained by the interference SAR.

干渉SARは、2時期の観測結果(観測手段110が受信した反射波)を解析して得られた位相の差(位相差)を利用して対象(ここではトンネル切羽)の変化を把握する手法であり、通常、干渉SARの結果は縞模様の「SAR干渉画像」として表される。あらかじめ、位相差を複数のレンジ(以下、「位相差レンジ」という。)に分類しておき、干渉SARの解析結果(つまり位相差)をこの位相差レンジに振り分けるとともに、同一の位相差レンジを示す範囲に対して位相差レンジごとに定められた色(あるいはグレースケール)を付与することでSAR干渉画像は作成される。   Interference SAR is a method of grasping a change in a target (here, a tunnel face) using a phase difference (phase difference) obtained by analyzing observation results (reflected waves received by the observation means 110) at two periods. Usually, the result of the interference SAR is expressed as a striped “SAR interference image”. The phase difference is classified into a plurality of ranges (hereinafter referred to as “phase difference range”) in advance, and the analysis result of the interference SAR (that is, the phase difference) is distributed to the phase difference range, and the same phase difference range is set. A SAR interference image is created by giving a color (or gray scale) determined for each phase difference range to the range shown.

干渉SARで得られる位相差は、波長の端数分の差であって整数分の波長差までは把握できない(例えば、30度の位相差と390度の位相差の区別ができない)。したがって、波長が既知であったとしても、位相差から実際の変動距離(長さ)を求めることができない。しかしながら、SAR干渉画像で隣接する位相差レンジどうしは、整数分の波長に関しては同じ長さ(波長数)であると考えられるため、所定範囲(ここではトンネル切羽)内の相対的な変化は把握できるわけである。   The phase difference obtained by the interference SAR is a difference of a fraction of the wavelength and cannot be grasped up to an integer wavelength difference (for example, a phase difference of 30 degrees and a phase difference of 390 degrees cannot be distinguished). Therefore, even if the wavelength is known, the actual fluctuation distance (length) cannot be obtained from the phase difference. However, since the phase difference ranges adjacent to each other in the SAR interference image are considered to have the same length (number of wavelengths) with respect to the integer number of wavelengths, the relative change within the predetermined range (here, the tunnel face) is grasped. It can be done.

解析手段120が干渉SARによって解析する場合、図2に示すように観測手段110から反射波データを受け取り、2時期間におけるトンネル切羽内の相対的な変化を求める。解析手段120は、観測手段110が反射波を受信するタイミングで(つまり受信する都度)トンネル切羽の変位を求めることもできるし、あらかじめ定めた間隔(例えば、3回の受信中1回の解析など)でトンネル切羽の変位を求めてもよい。なお解析手段120は、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。このコンピュータ装置は、パーソナルコンピュータ(PC)や、iPad(登録商標)といったタブレット型端末やスマートフォン、あるいはPDA(Personal Data Assistance)などによって構成することができる。ここでコンピュータ装置とは、CPU等のプロセッサ、ROMやRAMといったメモリを具備しており、さらにマウスやキーボード等の入力手段やディスプレイ(表示手段)を含むものもある。   When the analysis unit 120 analyzes by the interference SAR, the reflected wave data is received from the observation unit 110 as shown in FIG. 2, and the relative change in the tunnel face in the 2 o'clock period is obtained. The analysis unit 120 can also obtain the displacement of the tunnel face at the timing when the observation unit 110 receives the reflected wave (that is, every time it is received), or can be determined at a predetermined interval (for example, one analysis during three receptions). ) To obtain the displacement of the tunnel face. The analyzing means 120 can be manufactured as a dedicated one, or a general-purpose computer device can be used. This computer apparatus can be configured by a personal computer (PC), a tablet terminal such as iPad (registered trademark), a smartphone, or a PDA (Personal Data Assistance). Here, the computer device includes a processor such as a CPU, a memory such as a ROM and a RAM, and further includes an input unit such as a mouse and a keyboard and a display (display unit).

解析手段120は、トンネル切羽を安定させるために行われるトンネル切羽へのコンクリート吹付(以下、「鏡吹付け」という。)の吹付厚を求めることもできる。なお、後に説明する吹付厚の計画値と区別するため、実際に鏡吹付けを行った吹付厚を「実績吹付厚」、鏡吹付けの吹付厚の計画値を「計画吹付厚」ということとする。解析手段120によって鏡吹付けの実績吹付厚を求めるには、鏡吹付け前の反射波と、鏡吹付け開始後の反射波を利用する。具体的には、鏡吹付け開始後から継続的に反射波を解析していき、トンネル切羽の同じ位置に着目して位相差の経時的変化を求めていく。そして、鏡吹付け前に受信した反射波(つまり位相)と、鏡吹付け開始後に受信した反射波(つまり位相)とによって当該位置の実績吹付厚を求めていくわけである。したがって実績吹付厚は、トンネル切羽を分割して得られる小領域(いわゆるメッシュ)ごとに管理(記録)するとよい。なお図4では、トンネル切羽を格子状に分割した小領域を示しているが、これに限らず、放射円状や三角形に分割するなど、種々の小領域を利用することができる。   The analysis unit 120 can also obtain a spraying thickness of concrete spraying (hereinafter referred to as “mirror spraying”) to the tunnel face performed to stabilize the tunnel face. In addition, in order to distinguish it from the planned value of spraying thickness, which will be described later, the actual spraying thickness for which mirror spraying was performed is referred to as “actual spraying thickness”, and the planned value of mirroring spraying thickness is referred to as “planned spraying thickness”. To do. In order to obtain the actual spray thickness of mirror spraying by the analyzing means 120, the reflected wave before mirror spraying and the reflected wave after the start of mirror spraying are used. Specifically, the reflected wave is continuously analyzed after the start of mirror spraying, and the temporal change of the phase difference is obtained by paying attention to the same position of the tunnel face. And the actual spray thickness of the said position is calculated | required by the reflected wave (namely, phase) received before mirror spraying, and the reflected wave (namely, phase) received after mirror spraying start. Therefore, the actual spray thickness is preferably managed (recorded) for each small area (so-called mesh) obtained by dividing the tunnel face. In FIG. 4, the small area obtained by dividing the tunnel face into a lattice shape is shown. However, the present invention is not limited to this, and various small areas such as a radial circle or a triangle can be used.

(吹付厚設定手段)
吹付厚設定手段130は、鏡吹付けの計画吹付厚を設定するものであり、解析手段120と同様、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。具体的には、図2に示すように解析手段120が求めたトンネル切羽の変位データを受け取り、その結果に基づいてリアルタイムに鏡吹付けの計画吹付厚を設定する。このとき、適正吹付厚記憶手段140が記憶する「適正吹付厚」と、解析手段120によるトンネル切羽の変位データを照らし合わせることで計画吹付厚を設定するとよい。この適正吹付厚は、過去の実績に基づいてあらかじめ設定されるものであり、トンネル切羽の変位と、掘削断面積や掘削パターン(支保分類)、地質、湧水状況といった条件に応じて設定されるものである。すなわち、当該トンネル(掘削中のトンネル)に合致する条件及びトンネル切羽の変位データを適正吹付厚記憶手段140に照会することで適正吹付厚を取得し、この適正吹付厚をそのまま計画吹付厚とし、あるいは安全率を乗じたうえで計画吹付厚とするわけである。なお計画吹付厚は、トンネル切羽全体を一様に設定してもよいし、例えば図4に示すような小領域ごとに設定することもできる。ここで設定された計画吹付厚は、後述する出力手段160に出力してもよい。
(Spraying thickness setting means)
The spraying thickness setting means 130 sets the planned spraying thickness for mirror spraying, and can be manufactured as a dedicated one as well as the analysis means 120, or a general-purpose computer device can be used. Specifically, as shown in FIG. 2, the displacement data of the tunnel face obtained by the analyzing means 120 is received, and the planned spray thickness for mirror spraying is set in real time based on the result. At this time, the planned spray thickness may be set by comparing the “proper spray thickness” stored in the proper spray thickness storage unit 140 with the displacement data of the tunnel face by the analysis unit 120. This appropriate spray thickness is set in advance based on past results, and is set according to conditions such as the displacement of the tunnel face, excavation cross-sectional area, excavation pattern (support classification), geology, and spring conditions. Is. That is, the appropriate spray thickness is obtained by referring to the appropriate spray thickness storage means 140 for the condition matching the tunnel (tunnel being excavated) and the displacement data of the tunnel face, and this appropriate spray thickness is directly used as the planned spray thickness. Alternatively, the planned spray thickness is multiplied by the safety factor. The planned spray thickness may be set uniformly for the entire tunnel face, or may be set for each small region as shown in FIG. 4, for example. The planned spray thickness set here may be output to the output means 160 described later.

(吹付厚管理手段)
吹付厚管理手段150は、鏡吹付けの計画吹付厚に対する実績吹付厚を管理するものであり、いわば鏡吹付けの出来形管理(進捗管理)を行う手段である。この吹付厚管理手段150も、解析手段120や吹付厚設定手段130と同様、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。具体的には、図2に示すように吹付厚設定手段130が設定した計画吹付厚を受け取るとともに、解析手段120が求めた実績吹付厚を受け取り、この計画吹付厚と実績吹付厚を照らし合わせる。そして、実績吹付厚が計画吹付厚に到達した(あるいは、計画吹付厚以上になった)時点で、その到達したという情報(以下、「出来形達成情報」という。)を出力手段160に出力する。このとき、トンネル切羽全体に対して出来形達成情報を出力することもできるが、図4に示すような小領域ごとに出来形達成情報を出力するとより適正な鏡吹付けを行うことができて好適となる。小領域ごとに出来形達成情報を出力する場合、解析手段120が小領域ごとに実績吹付厚を求め、吹付厚設定手段130が小領域ごとに計画吹付厚を設定するとよい。なお出力手段160は、鏡吹付けを行っている場所(つまり、トンネル切羽前)に設置され、例えばディスプレイなど小領域ごとに出来形達成情報を表示するものであり、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。
(Spray thickness control means)
The spraying thickness management means 150 manages the actual spraying thickness with respect to the planned spraying thickness of mirror spraying, and is, so to speak, means for managing the finished form (progress management) of mirror spraying. The spray thickness management means 150 can be manufactured as a dedicated one as well as the analysis means 120 and the spray thickness setting means 130, or a general-purpose computer device can be used. Specifically, as shown in FIG. 2, the planned spray thickness set by the spray thickness setting means 130 is received, the actual spray thickness obtained by the analysis means 120 is received, and the planned spray thickness is compared with the actual spray thickness. Then, when the actual spray thickness reaches the planned spray thickness (or becomes equal to or greater than the planned spray thickness), information indicating that the spray thickness has been reached (hereinafter referred to as “finished achievement information”) is output to the output means 160. . At this time, the achievement information can be output for the entire tunnel face, but if the achievement information is output for each small area as shown in FIG. 4, more appropriate mirror spraying can be performed. Preferred. When outputting the achievement information for each small region, the analysis unit 120 may obtain the actual spray thickness for each small region, and the spray thickness setting unit 130 may set the planned spray thickness for each small region. The output means 160 is installed in a place where mirror spraying is performed (that is, in front of the tunnel face), and displays the achievement information for each small area such as a display, and is manufactured as a dedicated one. It is also possible to use a general-purpose computer device.

(妥当性確認手段)
妥当性確認手段170は、吹付厚設定手段130が設定した計画吹付厚の妥当性を確認するものであり、解析手段120や吹付厚設定手段130などと同様、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。具体的には、鏡吹付け施工後のトンネル切羽の変位データを受け取り、その変位があらかじめ設定した許容値以内であればその計画吹付厚は適切と判断し、その変位が許容値を超えるときはその計画吹付厚は不適と判断する。妥当性確認手段170が適否判断した結果は、今後の適正施工のため適正吹付厚記憶手段140が記憶する適正吹付厚に反映させるとよい。また妥当性確認手段170が計画吹付厚を不適としたときは、その情報を出力手段160に表示し、さらなる鏡吹付けを行うよう作業者に促すこともできる。
(Validity check method)
The validity confirmation means 170 is for confirming the validity of the planned spray thickness set by the spray thickness setting means 130, and can be manufactured as a dedicated one like the analysis means 120 and the spray thickness setting means 130. A general-purpose computer device can also be used. Specifically, when receiving the displacement data of the tunnel face after mirror spraying construction, if the displacement is within the preset allowable value, it is judged that the planned spraying thickness is appropriate, and when the displacement exceeds the allowable value The planned spray thickness is judged to be inappropriate. The result determined by the validity checking means 170 may be reflected in the appropriate spray thickness stored in the appropriate spray thickness storage means 140 for future proper construction. When the validity checking means 170 makes the planned spraying thickness inappropriate, the information can be displayed on the output means 160 to prompt the operator to perform further mirror spraying.

(移動手段)
移動手段180は、観測手段110を前方に(つまり、トンネル切羽に接近するように)移動させるとともに、観測手段110を後方に(つまり、トンネル切羽から後退するように)移動させるものである。トンネル切羽を観測するときは、図5(a)に示すように観測手段110をできるだけトンネル切羽の近くに配置することが望ましい。他方、トンネル切羽を発破するときは、図5(b)に示すように観測手段110はトンネル切羽から遠ざける方がよい。移動手段180は、観測時には観測手段110をトンネル切羽の近くに配置し、発破時にはトンネル切羽から遠ざけることができるものである。
(transportation)
The moving means 180 moves the observation means 110 forward (that is, so as to approach the tunnel face) and moves the observation means 110 backward (ie, so as to recede from the tunnel face). When observing the tunnel face, it is desirable to arrange the observation means 110 as close as possible to the tunnel face as shown in FIG. On the other hand, when blasting the tunnel face, it is better to keep the observation means 110 away from the tunnel face as shown in FIG. The moving means 180 can arrange the observation means 110 near the tunnel face at the time of observation, and keep it away from the tunnel face at the time of blasting.

移動手段180は、トンネル軸(延長)方向に沿って設置されるレールと、駆動手段を含んで構成される。この駆動手段としては、観測手段110を自走させる動力形式のものや、ウィンチとワイヤーを組み合わせたけん引式のものなど、種々の仕様のものを採用することができる。例えば図3に示す移動手段180では、レールとしてH形鋼をトンネル天端付近に敷設するとともに、車輪を具備する吊冶具が観測手段110を吊り下げ、H形鋼の下フランジ上を車輪が走ることで車輪とともに観測手段110が移動する構造としている。このように移動手段180を設けることによって、観測手段110はレールに沿って前方に移動し、レールに沿って後方に移動することができるわけである。なお図5では、観測手段110と移動手段180の組み合わせ(セット)をトンネル天端付近に2組設置しているが、これに限らずトンネル内周面のうち肩部付近や側壁部付近(あるいは土平付近)に観測手段110と移動手段180のセット(あるいは観測手段110のみ)を設置することもできるし、1組又は3組以上の観測手段110と移動手段180のセット(あるいは観測手段110のみ)を設置することもできる。   The moving unit 180 includes a rail installed along the tunnel axis (extension) direction and a driving unit. As this drive means, those of various specifications such as a power type that causes the observation means 110 to self-propel and a tow type that combines a winch and a wire can be adopted. For example, in the moving means 180 shown in FIG. 3, H-shaped steel is laid near the top of the tunnel as a rail, and a hanging jig provided with a wheel suspends the observation means 110, and the wheel runs on the lower flange of the H-shaped steel. Thus, the observation means 110 moves with the wheels. By providing the moving means 180 in this way, the observation means 110 can move forward along the rail and move backward along the rail. In FIG. 5, two sets (sets) of the observation means 110 and the movement means 180 are installed near the top of the tunnel. However, the present invention is not limited to this. A set of observation means 110 and moving means 180 (or only observation means 110) can be installed near the horizon, or a set of one or more sets of observation means 110 and moving means 180 (or observation means 110). Only) can also be installed.

2.トンネル切羽監視方法
次に本願発明のトンネル切羽監視方法について図を参照しながら説明する。なお、本願発明のトンネル切羽監視方法は、ここまで説明したトンネル切羽監視システム100を使用して行う方法であり、したがってトンネル切羽監視システム100で説明した内容と重複する説明は避け、本願発明のトンネル切羽監視方法に特有の内容のみ説明することとする。すなわち、ここに記載されていない内容は、「1.トンネル切羽監視システム」で説明したものと同様である。
2. Tunnel Face Monitoring Method Next, the tunnel face monitoring method of the present invention will be described with reference to the drawings. The tunnel face monitoring method of the present invention is a method performed using the tunnel face monitoring system 100 described so far, and therefore, the description overlapping the contents described in the tunnel face monitoring system 100 is avoided, and the tunnel of the present invention is avoided. Only the contents specific to the face monitoring method will be explained. That is, the contents not described here are the same as those described in “1. Tunnel face monitoring system”.

図6は本願発明のトンネル切羽監視方法の主な工程を示すフロー図であり、図7は本願発明のトンネル切羽監視方法の主な工程を示すステップ図である。なお、図6の左列はトンネル掘削の一連の工程(掘削サイクル)を示し、右列はトンネル切羽を監視する工程を示している。なお、ここでは便宜上、発破掘削の場合で説明するが、本願発明のトンネル切羽監視方法は、機械掘削でも実施できる。   FIG. 6 is a flowchart showing the main steps of the tunnel face monitoring method of the present invention, and FIG. 7 is a step diagram showing the main steps of the tunnel face monitoring method of the present invention. The left column of FIG. 6 shows a series of tunnel excavation steps (excavation cycle), and the right column shows a step of monitoring the tunnel face. For convenience, the case of blast excavation will be described here, but the tunnel face monitoring method of the present invention can also be implemented by mechanical excavation.

図6や図7(a)に示すように、掘削サイクルとしてまずは火薬装填のための削孔が行われる(Step101)。削孔中、トンネル切羽は観測手段110によって観測され、解析手段120によってその変位が求められる。計画どおり削孔が完了すると、火薬を装填し、図7(b)に示すように観測手段110を移動手段180によって後方に退避させた(Step201)うえで、発破を行う(Step102)。   As shown in FIG. 6 and FIG. 7A, first, as a drilling cycle, drilling for explosive loading is performed (Step 101). During drilling, the tunnel face is observed by the observation means 110 and the displacement is obtained by the analysis means 120. When the drilling is completed as planned, explosives are loaded, and the observation means 110 is retracted rearward by the moving means 180 as shown in FIG. 7B (Step 201), and then blasting is performed (Step 102).

発破が完了すると、図7(c)に示すように移動手段180によって観測手段110をトンネル切羽に接近させて観測態勢を整え(Step202)、実際に観測手段110による観測を開始し、解析手段120による変位算出を開始する(Step203)。その後、図7(d)に示すようにズリを坑外に搬出する「ズリ出し」を行い(Step103)、トンネル切羽を整形するとともに浮石を除去する「こそく」を行う(Step104)。ここで、次工程である鏡吹付けの前に、解析手段120が求めたトンネル切羽の変位に基づいて、吹付厚設定手段130がトンネル切羽の小領域ごとに計画吹付厚を設定する(Step204)。   When the blasting is completed, as shown in FIG. 7C, the observation unit 110 is brought close to the tunnel face by the moving unit 180 to adjust the observation system (Step 202), the observation by the observation unit 110 is actually started, and the analysis unit 120 The displacement calculation by is started (Step 203). Thereafter, as shown in FIG. 7 (d), "slipping" is carried out to carry out the slipping out of the mine (Step 103), and "cutting" is performed to reshape the tunnel face and remove floating stones (Step 104). Here, before the next step of mirror spraying, based on the displacement of the tunnel face obtained by the analysis means 120, the spray thickness setting means 130 sets the planned spray thickness for each small area of the tunnel face (Step 204). .

計画吹付厚が設定されると、図7(e)に示すように鏡吹付けを行い(Step105)、1次コンクリート吹付を行う(Step106)。鏡吹付け開始後は、継続的に解析手段120によって実績吹付厚が求められ(Step205)、実績吹付厚が計画吹付厚に到達した(あるいは、計画吹付厚以上になった)時点で、出来形達成情報を出力手段160に出力する。なお、この出来形達成情報は、小領域ごとに判定されたうえで出力手段160に出力される。鏡吹付けのオペレーターは、出力手段160で出来形達成情報を確認しながら鏡吹付け作業を行い、すべての小領域で出来形達成情報が出力されると鏡吹付け作業を終了する。なお、この時点で妥当性確認手段170によって計画吹付厚が不適と判断された場合、これを出力手段160で確認したオペレーターは実績吹付厚が計画吹付厚に到達したとしてもさらなる鏡吹付けを行うとよい。   When the planned spraying thickness is set, mirror spraying is performed as shown in FIG. 7E (Step 105), and primary concrete spraying is performed (Step 106). After the mirror spraying starts, the actual spray thickness is continuously obtained by the analysis means 120 (Step 205), and when the actual spray thickness reaches the planned spray thickness (or exceeds the planned spray thickness), the finished shape is obtained. The achievement information is output to the output means 160. It should be noted that this achievement information is output to the output unit 160 after being determined for each small area. The mirror spraying operator performs the mirror spraying operation while confirming the completed shape achievement information with the output means 160. When the completed shape achievement information is output in all the small areas, the mirror spraying operation is terminated. At this time, if the validity checking means 170 determines that the planned spray thickness is inappropriate, the operator who confirms this with the output means 160 will perform further mirror spraying even if the actual spray thickness reaches the planned spray thickness. Good.

鏡吹付けと1次コンクリート吹付を行うと、図7(f)に示すように鋼製支保工を建込み(Step107)、2次コンクリート吹付を行って(Step108)、ロックボルトを打設する(Step109)。なお、観測手段110による観測と解析手段120による変位算出は継続して行われており、鏡吹付け後のトンネル変位も求められている。そこで、妥当性確認手段170が計画吹付厚の適否判断を行い(Step206)、その結果を適正吹付厚記憶手段140が記憶する適正吹付厚に反映させる。   When mirror spraying and primary concrete spraying are performed, a steel support is built as shown in FIG. 7 (f) (Step 107), secondary concrete spraying is performed (Step 108), and a lock bolt is driven ( Step 109). The observation by the observation unit 110 and the displacement calculation by the analysis unit 120 are continuously performed, and the tunnel displacement after mirror spraying is also obtained. Therefore, the validity checking unit 170 determines whether or not the planned spraying thickness is appropriate (Step 206), and reflects the result on the appropriate spraying thickness stored in the appropriate spraying thickness storage unit 140.

ロックボルトを打設すると一連の掘削サイクルが完了し、次の掘削サイクルに移り、再び火薬装填のための削孔が行われる(Step101)。そして、計画どおり削孔が完了し、火薬を装填すると、観測手段110による観測と解析手段120による変位算出は一旦中断され(Step207)、観測手段110を移動手段180によって後方に退避させるStep201)。すなわち、一連の掘削サイクルの中で、図6に示す「観測〜解析開始(Step203)」から「観測〜解析中断(Step207)」まで、観測手段110による観測と解析手段120による変位算出は継続して行われる。   When the rock bolt is driven, a series of excavation cycles are completed, the next excavation cycle is started, and drilling for loading the explosive is performed again (Step 101). When the drilling is completed as planned and the explosive is loaded, the observation by the observation unit 110 and the displacement calculation by the analysis unit 120 are temporarily interrupted (Step 207), and the observation unit 110 is moved backward by the moving unit 180 (Step 201). That is, in the series of excavation cycles, the observation by the observation unit 110 and the displacement calculation by the analysis unit 120 are continued from “Observation to analysis start (Step 203)” to “Observation to analysis interruption (Step 207)” shown in FIG. Done.

ところで、トンネル掘削サイクルが進むと、観測手段110とトンネル切羽の距離が徐々に離れていく。例えば図8では、図8(a)から図8(b)にかけて1掘削サイクル分だけトンネル切羽が進んでいるため、図8(b)に示す観測手段110の方が図8(a)に示す観測手段110よりトンネル切羽から離れている。ただし、トンネル掘削サイクルが進むたびに観測手段110や移動手段180を盛り替える(前方に移し替える)「段取り替え」を行うのは著しく手間がかかるため、観測手段110とトンネル切羽の距離が観測精度に支障がない範囲では段取り替えを行わず、観測精度に支障が出る程度に観測手段110とトンネル切羽が離れたときに段取り替えを行うとよい。   By the way, as the tunnel excavation cycle proceeds, the distance between the observation means 110 and the tunnel face gradually increases. For example, in FIG. 8, since the tunnel face is advanced by one excavation cycle from FIG. 8 (a) to FIG. 8 (b), the observation means 110 shown in FIG. 8 (b) is shown in FIG. 8 (a). The observation means 110 is far from the tunnel face. However, it is extremely time-consuming to perform “set-up” to change the observation means 110 and the movement means 180 each time the tunnel excavation cycle proceeds, so the distance between the observation means 110 and the tunnel face is the observation accuracy. It is preferable to perform the setup change when the observation means 110 and the tunnel face are separated to such an extent that the observation accuracy is hindered.

本願発明のトンネル切羽監視システム、及びトンネル切羽監視方法は、道路トンネルや鉄道トンネルのほか、人道トンネルなど様々なトンネル掘削に利用することができる。本願発明によれば、トンネル切羽を安定した状態で掘削することによって手戻りなくトンネルを完成させることができ、すなわち早々に利用に供することができるとともに、作業者の安全を確保したうえで施工することができることを考えれば、産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献を期待し得る発明である。   The tunnel face monitoring system and the tunnel face monitoring method of the present invention can be used for various tunnel excavations such as road tunnels, railway tunnels, and human road tunnels. According to the present invention, the tunnel face can be completed without excavation by excavating the tunnel face in a stable state, that is, the tunnel face can be used immediately and can be used while ensuring the safety of the operator. Considering that it can be used, it is an invention that not only can be used industrially but can also be expected to make a great social contribution.

100 トンネル切羽監視システム
110 (トンネル切羽監視システムの)観測手段
111 (観測手段の)レーダーアンテナ
120 (トンネル切羽監視システムの)解析手段
130 (トンネル切羽監視システムの)吹付厚設定手段
140 (トンネル切羽監視システムの)適正吹付厚記憶手段
150 (トンネル切羽監視システムの)吹付厚管理手段
160 (トンネル切羽監視システムの)出力手段
170 (トンネル切羽監視システムの)妥当性確認手段
180 (トンネル切羽監視システムの)移動手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Tunnel face monitoring system 110 Observation means (of tunnel face monitoring system) 111 Radar antenna 120 (of observation means) Analysis means 130 (of tunnel face monitoring system) Spray thickness setting means 140 (of tunnel face monitoring system) 140 (Tunnel face monitoring) Appropriate spray thickness storage means 150 (for tunnel face monitoring system) Spray thickness management means 160 Output means for tunnel face monitoring system 170 Validity confirmation means for tunnel face monitoring system 180 (for tunnel face monitoring system) transportation

Claims (8)

トンネル切羽の状態を監視するシステムにおいて、
トンネル切羽後方のトンネル内周面に設置され、トンネル切羽に電波を照射するとともにトンネル切羽で散乱した反射波を受信するレーダーアンテナからなる観測手段と、
前記レーダーアンテナが受信した反射波を解析することでトンネル切羽の変位を求める解析手段と、
を備えたことを特徴とするトンネル切羽監視システム。
In the system that monitors the condition of the tunnel face,
An observation means that is installed on the inner peripheral surface of the tunnel behind the tunnel face, irradiates the tunnel face with radio waves and receives a reflected wave scattered by the tunnel face,
Analyzing means for obtaining the displacement of the tunnel face by analyzing the reflected wave received by the radar antenna;
A tunnel face monitoring system characterized by comprising:
前記解析手段が求めたトンネル切羽の変位に基づいて、トンネル切羽を分割した小領域ごとに吹付けコンクリートの計画吹付厚を設定する吹付厚設定手段を、さらに備えた、
ことを特徴とする請求項1記載のトンネル切羽監視システム。
Based on the displacement of the tunnel face obtained by the analysis means, further comprising a spray thickness setting means for setting the planned spray thickness of the shot concrete for each small area into which the tunnel face is divided,
The tunnel face monitoring system according to claim 1.
前記解析手段が、コンクリート吹付け前の反射波と、コンクリート吹付け開始後の反射波と、に基づいて吹付けコンクリートの実績吹付厚を求め、
前記実績吹付厚が前記計画吹付厚に達したときに、前記小領域ごとに吹付けコンクリートの出来形達成情報を出力する吹付厚管理手段を、さらに備えた
ことを特徴とする請求項2記載のトンネル切羽監視システム。
The analysis means determines the actual spray thickness of the shotcrete based on the reflected wave before the concrete spraying and the reflected wave after the concrete spraying start,
The spraying thickness management means which outputs the achievement achievement information of spraying concrete for every said small area when the said actual spraying thickness reaches the said planned spraying thickness is further provided. Tunnel face monitoring system.
トンネル内周面に固定されたレールに沿って、前記レーダーアンテナを前後移動させる移動手段を、さらに備え、
前記移動手段によって前方に移動させると前記レーダーアンテナがトンネル切羽に接近し、前記移動手段によって後方に移動させると前記レーダーアンテナがトンネル切羽から後退する、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のトンネル切羽監視システム。
A moving means for moving the radar antenna back and forth along a rail fixed to the inner peripheral surface of the tunnel is further provided,
The radar antenna approaches the tunnel face when moved forward by the moving means, and the radar antenna moves backward from the tunnel face when moved backward by the moving means,
The tunnel face monitoring system according to any one of claims 1 to 3, wherein the tunnel face monitoring system is provided.
前記観測手段が、一列又は略一列に配置された複数のレーダーアンテナによって形成される非動作型の合成開口レーダーである、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のトンネル切羽監視システム。
The observation means is a non-operational synthetic aperture radar formed by a plurality of radar antennas arranged in a row or in a row.
The tunnel face monitoring system according to any one of claims 1 to 4, wherein the tunnel face monitoring system is provided.
トンネル切羽の状態を監視する方法において、
トンネル切羽後方のトンネル内周面に設置されたレーダーアンテナが、連続して、定期的に、又は断続的に、トンネル切羽に電波を照射するとともにトンネル切羽で散乱した反射波を受信する観測工程と、
前記レーダーアンテナが受信した反射波を解析することでトンネル切羽の変位を求める解析工程と、を備えた、
ことを特徴とするトンネル切羽監視方法。
In the method of monitoring the condition of the tunnel face,
An observation process in which a radar antenna installed on the inner peripheral surface of the tunnel behind the tunnel face continuously, periodically, or intermittently radiates radio waves to the tunnel face and receives reflected waves scattered by the tunnel face; ,
Analyzing the reflected wave received by the radar antenna to obtain the displacement of the tunnel face, and
A tunnel face monitoring method characterized by the above.
前記解析工程で求めたトンネル切羽の変位に基づいて、トンネル切羽を分割した小領域ごとに吹付けコンクリートの計画吹付厚を設定する吹付厚設定工程と、
コンクリート吹付け前に前記レーダーアンテナが受信した反射波と、コンクリート吹付け開始後に前記レーダーアンテナが受信した反射波と、に基づいて吹付けコンクリートの実績吹付厚を求める吹付厚計測工程と、
前記小領域ごとの吹付けコンクリートの出来形達成情報に基づいて、トンネル切羽にコンクリートの吹付けを行う鏡吹付け工程と、をさらに備え、
前記吹付けコンクリートの出来形達成情報は、前記実績吹付厚が前記計画吹付厚に達したときに出力される、
ことを特徴とする請求項6記載のトンネル切羽監視方法。
Based on the displacement of the tunnel face obtained in the analysis step, a spray thickness setting process for setting the planned spray thickness of the shotcrete for each small area obtained by dividing the tunnel face,
A spray thickness measurement step for obtaining an actual spray thickness of spray concrete based on a reflected wave received by the radar antenna before concrete spraying, and a reflected wave received by the radar antenna after concrete spraying starts,
A mirror spraying step of spraying concrete onto the tunnel face based on the achievement information of the shot concrete for each small region, and
The completion achievement information of the shotcrete is output when the actual spray thickness reaches the planned spray thickness,
The tunnel face monitoring method according to claim 6.
トンネル切羽の発破後、又はズリ搬出後に、トンネル切羽後方のトンネル内周面に固定されたレールに沿って前記レーダーアンテナをトンネル切羽に接近するように移動させる観測準備工程と、
トンネル切羽を発破する直前に、前記レールに沿って前記レーダーアンテナをトンネル切羽から後退するように移動させる退避工程と、をさらに備え、
前記観測工程では、トンネル切羽に接近した前記レーダーアンテナが電波を照射するとともに反射波を受信する、
ことを特徴とする請求項6又は請求項7記載のトンネル切羽監視方法。
An observation preparation step for moving the radar antenna so as to approach the tunnel face along a rail fixed to the inner peripheral surface of the tunnel behind the tunnel face after blasting the tunnel face or after carrying out the slipping;
A retreating step of moving the radar antenna so as to recede from the tunnel face along the rail immediately before blasting the tunnel face,
In the observation step, the radar antenna approaching the tunnel face emits radio waves and receives reflected waves.
8. The tunnel face monitoring method according to claim 6 or 7, wherein:
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019219333A (en) * 2018-06-21 2019-12-26 清水建設株式会社 Tunnel face safety monitoring system and tunnel face safety monitoring method
JP2021095716A (en) * 2019-12-16 2021-06-24 鹿島建設株式会社 Management method of concrete spray thickness and management system of concrete spray thickness
CN115370417A (en) * 2022-07-22 2022-11-22 北京交通大学 Tunnel face extrusion deformation testing method and device
CN116307645A (en) * 2023-05-22 2023-06-23 浙江凯乐士科技集团股份有限公司 Method and device for partitioning operation area of warehouse vehicle, electronic equipment and medium

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002303099A (en) * 2001-04-05 2002-10-18 Ohbayashi Corp Belt conveyor system
JP2003013699A (en) * 2001-07-03 2003-01-15 Penta Ocean Constr Co Ltd Method and apparatus for controlling spraying of concrete
JP2005331363A (en) * 2004-05-20 2005-12-02 Taisei Corp Method for monitoring cutting face of tunnel, and instrument for measuring the cutting face of tunnel
WO2015008554A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 国立大学法人東北大学 Synthetic aperture processing sensor, processing method for sensor, and program
JP2016008399A (en) * 2014-06-23 2016-01-18 鹿島建設株式会社 Tunnel face monitoring method
JP2016011921A (en) * 2014-06-30 2016-01-21 日本信号株式会社 Transceiver device, and radar measurement system
JP2017115388A (en) * 2015-12-24 2017-06-29 前田建設工業株式会社 Tunnel face plane displacement monitoring device
JP2018205006A (en) * 2017-05-31 2018-12-27 株式会社パスコ Ground deformation observation device and ground deformation observation program

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002303099A (en) * 2001-04-05 2002-10-18 Ohbayashi Corp Belt conveyor system
JP2003013699A (en) * 2001-07-03 2003-01-15 Penta Ocean Constr Co Ltd Method and apparatus for controlling spraying of concrete
JP2005331363A (en) * 2004-05-20 2005-12-02 Taisei Corp Method for monitoring cutting face of tunnel, and instrument for measuring the cutting face of tunnel
WO2015008554A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 国立大学法人東北大学 Synthetic aperture processing sensor, processing method for sensor, and program
JP2016008399A (en) * 2014-06-23 2016-01-18 鹿島建設株式会社 Tunnel face monitoring method
JP2016011921A (en) * 2014-06-30 2016-01-21 日本信号株式会社 Transceiver device, and radar measurement system
JP2017115388A (en) * 2015-12-24 2017-06-29 前田建設工業株式会社 Tunnel face plane displacement monitoring device
JP2018205006A (en) * 2017-05-31 2018-12-27 株式会社パスコ Ground deformation observation device and ground deformation observation program

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019219333A (en) * 2018-06-21 2019-12-26 清水建設株式会社 Tunnel face safety monitoring system and tunnel face safety monitoring method
JP7157414B2 (en) 2018-06-21 2022-10-20 清水建設株式会社 Tunnel face safety monitoring system and tunnel face safety monitoring method
JP2021095716A (en) * 2019-12-16 2021-06-24 鹿島建設株式会社 Management method of concrete spray thickness and management system of concrete spray thickness
JP7409857B2 (en) 2019-12-16 2024-01-09 鹿島建設株式会社 Concrete spraying thickness management method and concrete spraying thickness management system
CN115370417A (en) * 2022-07-22 2022-11-22 北京交通大学 Tunnel face extrusion deformation testing method and device
CN115370417B (en) * 2022-07-22 2024-02-23 北京交通大学 Method and device for testing extrusion deformation of tunnel face
CN116307645A (en) * 2023-05-22 2023-06-23 浙江凯乐士科技集团股份有限公司 Method and device for partitioning operation area of warehouse vehicle, electronic equipment and medium

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