JPH0424394A - トンネルの切羽面へのレーザ光照射方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、トンネル掘削工事を行なう際に、坑内の切羽
にレーザ光を照射し、トンネル中心線、支保工建込み線
、掘削線、さらには発破パターンなどを描くことのでき
るトンネルの切羽面へのレーザ光照射方法及び装置に関
するものである。

〔従来の技術〕

トンネル掘削工事の際に、その切羽の掘削断面の中心線
を出すための従来方法としては、第１６図に示す切羽面
１の上に、前もって測量により求めた２点Ａ、Ｂを第１
７図及び第１８図に示す２本のレーザ光源２Ａ、２Ｂか
らのレーザ光ｉを照射して印示し、これを基に寸法割り
して中心点４を求め、下げ振りを中心点４に合わせてト
ンネル中心線３を求めていた。

また、トンネル掘削時の支保工の建込み線を求めるには
、上記のトンネル掘削時の切羽面１上のレーザ光ｌの照
射による２点Ａ、Ｂを基にし、建込み用ゲージ５を用い
て支保エフの根付は位置６を求めており、これを第１９
図に示している。

一方、トンネル掘削工事において、銅製の支保工がない
断面パターンの掘削は、なんらかの手法でトンネル掘削
時の切羽面１に掘削線を表示する必要があり、その従来
方法を大別すると、ゲージ支保工による手法と、マーキ
ングによる手法がある。

そのゲージ支保工による方法は、掘削線に合致したパイ
プまたは軽量Ｈ鋼等の鋼製ゲージを製作し、これを用い
て前記第１９図の支保エフの建込み位置を求めるのと同
じ方法で建込み掘削線を表示するものであり、−船釣に
掘削線が得られた後は、ゲージ支保工は取り外している
。

また、マーキングによる手法は、第２０図のトンネル中
心点１０、すなわち、ＳＬライン１２とトンネル中心線
３の交点を出し、所定の半径でひも８、またはローブ、
棒等を回転させながら掘削マーキング線１１を表示する
ものである。

しかしながら、上記の従来技術においては、その手法に
手間ひまを要し、作業時間が多くかかって能率が悪いと
共に、再確認したい時は、最初から同じ手順を繰り返す
必要があり、直ちには確認できないという問題がある。

また、マーキングによる掘削線の表示手法については、
掘削線の精度が悪く、余掘りが多くなり、吹付及び覆工
コンクリート量の喰込みが大きくなるので経済的でない
という問題があった。

さらに、カーブ施工においては、掘削切羽面上で、トン
ネル中心線の逃げ量を別途に考慮する必要があり、作業
が複雑になるという欠点があった。

一方、トンネル掘削における位置出しと、余掘り防止を
目的とし、掘削断面自動照射システムと称して、レーザ
光で切羽面に掘削線を照射する装置も開発されているが
、このシステムは、坑内の天井または側面に架台を組み
、その上にレーザ発光器を搭載した２軸旋回台を設けた
ものであり、その２軸旋回台を制御して切羽面に掘削線
をレーザ光で描くようにしたものである。

しかしながら、このシステムでは、レーザ発光器自体を
２軸旋回台で旋回制御するものであるため、その制御が
複雑であり、かつその旋回台は、レーザ発光器を支持し
ながら旋回するので、その重量もかさばり、システムの
移動も容易でないという問題があった。

一方、トンネル掘削時の切羽に発破をかける際には、ト
ンネル断面パターンや地山の岩質などを考慮して、発破
用の削孔位置、削孔個数、発破段数等の発破パターンを
作成し、これを基本として現場で作業員のイメージによ
る大体の位置に削孔し、発破を行なっている。

このため、計画発破パターンとは多少異なった現場状況
に見合った削孔ができる反面、余掘りゃ掘残しが発生し
、作業時間の増加や、吹付コンクリート等の喰込み量が
多くなるという問題があった。

また、発破パターンの各削孔位置を座標化し、コンピュ
ータ制御を用いている無人化ロボットジャンボと称する
装置も開発されている。

このロボットジャンボは、発破パターンをパーソナルコ
ンピュータで座標作成し、そのｆＥＩに従って削孔機の
ビット位置が自動的に順次移動しながら削孔するもので
ある。しかしながら、岩質の状態が著しく変化する地山
に対しては人間の感覚による手法が優れており、ロボッ
トは全ての地山に対応できるものではなく、また、実際
に作業を行う坑夫にとっても、そのロボットそのものが
難かしすぎて、人的にもかなりの負担が強いられるとい
う問題がある。

〔発明の解決しようとする課題〕

本発明は、前記従来の問題点を解決するためになされた
ものであり、トンネル掘削時の切羽面に掘削線などをレ
ーザ光により能率よく、しかも正確に描くことができ、
しかも比較的構造が単純で、簡便なトンネルの切羽面へ
のレーザ光照射方法及び装置を提供することを解決課題
としたものである。

〔課題を解決するための手段］ 上記の課題を解決するための手段として、本発明のトン
ネルの切羽面へのレーザ光照射方法は、トンネル坑内の
切羽面から所定距離離れた位置で照射されたレーザ光を
２個の反射ミラーを介して切羽面に照射すると共に、上
記２個の反射ミラーの振り角の制御により照射線を切羽
面上に描くことにより、能率よく、かつ正確にトンネル
中心線、支保工建込み線などを明示できるものである。

また、上記の本発明の方法を適用する装置としては、ト
ンネル坑内の切羽面に向って設けられる三脚等の架台上
に設けられるレーザ光照射器及びそのレーザ光照射器か
らのレーザ光を反射する振り角制御自在な２個の反射ミ
ラーと、その反射ミラーの振り角を制御するコントロー
ラとから構成されるものであるが、上記の三脚等の架台
は下げ振り測定可能なものとし、さらに三脚等の架台上
には、切羽面でのトンネル中心点までの距離を測定する
光波距離計などの距離測定器、そのトンネル中心点への
方位角を測定するジャイロコンパスなどの方位角測定器
、さらにレーザ光照射器の据付角度を検出するサーボ速
度計などの角度検出器を設け、これらの測定値や検出値
によりコントローラを介して反射ミラーの振り角を制御
すれば、より機能的なレーザ光照射線が得られることに
なる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の詳細な説明するが、第１図
は本発明の方法を適用してトンネル坑内の掘削断面にレ
ーザ光を照射する装置の構成を示す側面図、第２−Ａ図
は第１図の三脚上の機器を示す平面図、第２−Ｂ図は第
２−Ａ図のＡ−Ａ断面図である。

まず、この装置は、第１図、第２−Ａ図及び第２−Ｂ図
に示すごとく、トンネル坑内の切羽面１に向って設けら
れる三脚等の架台１３と、その三脚等の架台１３上に設
けられるレーザ光照射器１４、そのレーザ光照射器１４
からのレーザ光！を反射する固定反射ミラー２８、その
反射したレーザ光ｌを反射するｙ軸旋回用の反射ミラー
１５Ａ、その反射したレーザ光ｌをさらに反射する２軸
旋回用の反射ミラー１５Ｂ、そして反射ミラー１５Ａ、
１５Ｂの振り角を制御するコントローラ１６とから構成
されているが、コントローラ１６は反射ミラー１５Ａ、
１５Ｂの振り角を適宜に制御して、切羽面ｌ上に描く照
射線と、その描き方、すなわち、照射パターン、照射線
の移動、照射された像の大きさなどを決定する制御をす
るようになっており、図中で２６はアンプ、２７はスキ
ャナーを示し、そして三脚等の架台１３には下げ振り１
８が設けられている。

なお、本実施例では、固定反射ミラー２８を設けている
が、レーザ光照射器１４を反射ミラー１５Ａに対して直
角に配置すれば、固定反射ミラー２８は不要である。

また、第２図のコントローラ１６にＡで示すのは、投映
パターンの、Ｂで示すのは映写パターンの、Ｃで示すの
は平行移動パターンの、Ｄで示すのは寸法の、Ｅで示す
のは入力モードの、そしてＦで示すのは電源モードのそ
れぞれ選定コードであり、まず、投映パターンとして、
第３図に示す点６０、直径６１、半径６３、半円６４、
半楕円６５の選定コードを有しており、半楕円について
はＲｚ／Ｄｙの入力による入力モードを使い、半径／直
径比を決定できるようになっている。

また、映写パターンとしては、第４図に示す直線、分割
線、円弧線の選定コードを有しており、分割点について
は入力モードで４等分、８等分、１８等分が選定できる
ようになっており、さらに、円弧線については入力モー
ド３０″円弧線、６０°円弧線のいずれかを選択し、０
°から１８０°内を順次映写する。

さらに、平行移動パターンは、第５図に示すｙ軸と２軸
子行移動コードを有しており、各々別個にあるいは同時
に平行移動が可能であり、また最初に投映した場所を０
としてその移動距離がｙ軸、ｚ軸とも表示されるように
なっている。

なお、第５図の平行移動パターンにおける平行移動範囲
はｙ軸で十賭であり、ｚ軸で十紅である。

次に、本発明を標点照準照射法として適用した実施例の
装置の構成を第６図の平面図に示しており、第２図とほ
ぼ同様な構成からなり、同じ部品は同じ部品番号で示し
ている。

すなわち、この装置もレーザ光照射器１４をトランシッ
ト用の三脚等の架台１３に搭載し、コントローラ１６で
照射映像を制御するものであり、ピッチングローリング
計、またはサーボ加速度計１９はレーザ光照射器１４の
長手方向と横方向との据付は角度を検出し、コントロー
ラ１６で照射映像の角度補正を行ない、レーザ光照射器
１４内のｙ軸の反射ミラー１５Ａ、ｚ軸の反射ミラー１
５Ｂの振り角を調整することにより、傾きのない所定の
照射映像をトンネルの掘削する切羽面１に得るようにし
ている。なお、ピッチングローリング計、またはサーボ
加速度計１９に代えて、気泡式の水準器を設けてもよい
。

さらに、標点照準照射法のトンネル掘削の切羽面１への
照射手法は次の通りである。

また、第７図において、切羽面１のトンネル中心点Ｃｏ
、すなわち、ＳＬライン１２と下げ振り中心線３との交
点を測量により求め印示する。

次に、上記レーザ光照射装置を坑内に設置し、投映パタ
ーンの点投映をトンネル中心点Ｃｏと合致させる。そし
て、レーザ光照射器工４からトンネル中心線までの距離
Ｂｃ及びトンネルの切羽面１までの距離Ｌｃ、レーザ光
照射器１４とトンネル中心点Ｃｏのレベル差）１ｃをコ
ントローラ１６に入力し、初期投映水平角θｃｏと初期
投映垂直角θｈ。

とを記憶させる。

そして、投映パターン、映写パターン、平行移動パター
ン、寸法をコントローラ１６の選定コードＡ、Ｂ、Ｃ，
Ｄから選出し、掘削する切羽面１上に所定の投映像を描
くことにより１回目の照射を完了する。

次に、２回目以降の照射を次の容量で行なうが、まず第
８図において、１回目からの掘進距離ΔＬｃをコントロ
ーラ１６に入力することにより、初期投映水平角θｃｏ
と初期投映垂直角θｈｏとの差を演算し、差角分△θｃ
ｏ、△θｈｏだけｙ軸の反射ミラー１５Ａ、ｚ軸の反射
ミラー１５Ｂをコントローラ１６で制御し、新しく掘削
した切羽面ＩＡに投映像を描く。この２回目以降の投映
方式を第８図において示し、新しい切羽面ＩＡのトンネ
ル中心点をＣｎで示しており、ここで投映水平角の差は
、 θｃｎ−θｃｏ＝ｔａｎ−’（Ｂｏ　　　）−ｔａｎ−
’　　（”）Ｌｃ＋ΔＬｃ　　　　　　Ｌｃ で、投映垂直角の差は、 ｃ θｈｎ−θｈｏ　＝　ｔａｎ−’　（）−ｔａｎ−’　
　（’）Ｌｃ＋△Ｌｃ　　　　　　Ｌｃ で表わされる。

その後、レーザ光の識別がトンネル掘削切羽面上で可能
なまで、このような投映を続けるが、次の投映は、レー
ザ光照射器１４などを移動させて前記第７図の初期から
設定をやり直す。

次に、第９図の平面図及び第１０図の側面図に示すのは
、本発明を座標入力投映法に適用した実施例の装置であ
り、第１図及び第２図と同じ部品は同じ部品番号で示し
ているが、この場合、三脚等の架台１３上には、ジャイ
ロコンパス２０と光波距離計２１とを設け、レーザ光照
射器１４とトンネル掘削切羽中心点の道路座標ｘ、ｙ、
ｚの位置座標を求め、コントローラ１６でｙ軸用の反射
ミラー１５Ａ、ｚ軸用の反射ミラー１５Ｂを制御するこ
とにより、自動投映するものである。

この場合、コントローラ１６は定点座標から方位と距離
によりレーザ標点座標を求め、コントローラ１６にレー
ザ光照射器１４のｙ軸の反射ミラー１５Ａ、ｚ軸の反射
ミラー１５Ｂの振り角を指示するものである。

なお、第１０図の三脚等の架台１３Ａは、光波距離計２
１で実測する道路座標点で、この三脚等の架台１３Ａに
は反射ミラー１５Ｄと、下げ振り１８Ａとが設けられて
いる。

次に、上記の座標入力投映法の各座標関係を第１１図に
示しているが、図中Ａは実測した既知の座標点（Ｘ＋、
）’＋、Ｚ＋）で、Ｂはレーザ光照射器１４の座標点（
ｘｉ、）’ｚ、ｚｚ）で光波距離計２１の位置でもあり
、Ｃが設計座標点（Ｘ３．ｙ３．Ｚ３）の道路センター
、Ｄが投映中心座標点（Ｘ４．）’４−２４）のトンネ
ルセンターであり、そしてｆＣｔｌは上記点ＣとＤとの
間のトンネル方向に直角な距離である。

さらに、Ｎは真北（＋Ｘ）、Ｅは真東（＋ｙ）、そして
Ｔはトンネル方位を示している。

また、座標入力投映法のトンネル掘削切羽面すなわち第
１１図のＤ点への投映手法の手順を次の項目で説明する
。

（ＬＡ）、　　まず、任意の点、Ｂ点にレーザ光照射器
１４を据え付け、Ａ、Ｃ点の道路座標（ｘ。

ｙ、ｚ）を入力する。

（ＩＢ）、　　次に、Ａ点の道路座標（Ｘ　＋、ｙ＋、
Ｚ　＋）＋光波距離計２１で実測したＡ−Ｂ点間の距離
ｆａｎ、　　Ｂ点からみたＡ点のジャイロコンパス２０
で実測した方位θＡｍよりＢ点の道路座標（Ｘｚ、）’
ｔ、Ｚｚ）を自動演算より求める。但し、２方向はレベ
ル方向をあられし、レベル計にて実測し、手入力を行う
ものとする。

Ｃ点の設計道路座標（Ｘ　３＋　３’　３＋　Ｚ　３）
　＋Ｃ−Ｄ点間の距離ｌｃＤ、Ｃ点からみたＤ点の方位
θ。、よりＤ点の道路座標（ｘ４゜）’　ａ、　Ｚ　４
）を自動演算より求める。

Ｂ点の道路座標ＣＸｔ、’ｊｔ＋Ｚｔ″）とＤ点の道路
座標（Ｘ４．　ｙ４．　Ｚａ）から、Ｂ点からみたＤ点
の投映平面方位θｌＤ＋長手断面投映角度θ２を自動演
算より求める。

コントローラ１６からθ。、θＺの指令を受け、方位駆
動機でθＩＤを、レーザ光照射器１４内の２軸反射ミラ
ー１５Ｂで０２を出し、レーザ点をＤ点に自動投映する
。

（ＩＦ）、　　投映パターン、映写パターン、平行移動
パターン、寸法を選定コードから選出して、掘削切羽面
上に所定の投映像を描く。

以上により１回目の投映が完了すると、次の（ＩＥ）。

（ＩＣ）。

（ＩＤ）。

要領で２回目以降の投映を行なう。

（２Ａ）、　　レーザ光照射器１４の位置、すなわちＢ
点を移動させるまで、新しいＣ点の設計道路座標（Ｘ３
．）’３．２＊）、ｌ。、θ。、をコントローラ１６で
入力するのみで投映を行なう。

（２Ｂ）、　　また、レーザ光照射器１４のＢ点を移動
させると最初の（ＩＡ）項から設定をやり直す。

次に、本発明の方法を、トンネル掘削切羽に発破をかけ
る発破用の削孔位置を示す発破パターンを投映するため
に適用した場合の実施例の装置を第１２図に示しており
、第２図と同様に、レーザ光照射器１４と２つの反射ミ
ラー１５Ａ、　１５Ｂなどを、図示していない三脚等の
架台１３上に取りつけると共に、パーソナルコンピュー
タ３０、Ｉｌｏ　３１、コントローラ１６を設けており
、パーソナルコンピュータ３０を用いて発破パターンを
作成し、このデータをＩｌｏ　３１及びコントローラ１
６に送ることにより、レーザ光照射器１４からトンネル
掘削切羽面に第１３図のごとき発破パターン３２を映写
するものである。

この場合の各削孔点３３の位置は、第１４図に示すごと
く、トンネル設計掘削断面の半径Ｒに対する半径比と回
転角θで表示される極座標であられし、投映法について
は、前記の標点照準投映法、もしくは座標入力投映法を
採用するとよい。

次に、以上に説明した本発明のトンネル掘削断面のレー
ザ光照射器装置のコントローラ１６のブロックダイヤグ
ラムを第１５図に示しており、コントローラ１６で振り
角制御される２個の反射ミラー１５Ａ、１５Ｂの向きを
この説明では、ＹとＺとで説明している。

（Ａ）まず、Ｙパターン発生回路４１、Ｚパターン発生
回路４７は、投映パターンのＹ、Ｚ座標データを各回路
で電圧として発生させ、順次後段に出力する。

（Ｂ）次に、パターン整形回路（１）４２と、パターン
整形回路（Ｉｔ）４８は、各座標データ入力信号をＹ、
Ｚの反射ミラーの駆動に必要な波形に整形する。

なお、パターン発生回路で発生させた電圧がデジタルの
場合はアナログに変換し、またパターン発生回路で発生
させた電圧がアナログの場合は波形を整形する。

（Ｃ）次に、Ｙレベル調整回路４３と、Ｚレベル調整回
路４９は、Ｙ、Ｚレベルを手動または自動的に調整し、
各パターンの大きさを決める。

（Ｄ）また、Ｙ方向移動調整回路４４と、Ｚ方向移動調
整回路５０は、パターンをＹ、Ｚ方向に手動または自動
的に移動させる。

（Ｅ）そして、ドライバー（１）４５と、ドライバー（
ｎ）５１は、Ｙ、Ｚの反射ミラーを駆動するのに必要な
電力として供給するものである。

〔発明の効果〕

以上に説明した本発明のレーザ光照射方法及びその装置
を採用すれば、トンネル掘削切羽上のトンネル中心線、
支保工の建込み線、掘削線、さらには発破パターンなど
の表示が、−度の準備で長時間、例えば２週間程度にも
わたって使用できると共に、上記の各種の作業時間が短
縮でき、作業能率が著しく向上するという効果である。

また、再確認したい時に、作業の制約を受けずにいつで
も簡単にレーザ光を投映でき、掘削のチエツク機構がそ
なわることになり、さらに従来のマーキングによる掘削
線の表示手法に比較して、掘削線の精度が高く、余掘り
が少なくなり、吹付け、覆工コンクリート量の喰込みが
減少するので経済的なトンネル掘削工事ができるという
効果がある。

また、カーブ施工についても、本発明を採用することで
、簡単にトンネル中心線、支保工の建込み線、そして掘
削線の表示ができ、その作業能率と精度が向上するとい
う利点がある。

一方、本発明を発破パターンの表示に適用した場合、計
画発破パターンと実際の地山の状況と対比しながら、削
孔位置を変更できるため、余掘りゃ掘残しが減少して、
吹付コンクリート等の喰込み量が減少するという効果が
ある。

特に、本発明では２個の反射ミラーでレーザ光をそれぞ
れ反射させ、しかもそれらの反射ミラーの振り角を制御
して照射線を切羽面に描いているので、レーザ光照射器
を旋回する場合に比べてその架台の構造が単純になると
共に、切羽面に照射する映像の応用範囲が広くなるとい
う利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を適用してトンネル坑内の掘削断
面にレーザ光を照射する装置の構成を示す側面図、第２
−Ａ図は第１図の三脚上の機器を示す平面図、第２−Ｂ
図は第２−Ａ図のＡ−Ａ断面図、第３図は第１図の装置
の投映パターン図、第４図は第１図の装置による映写パ
ターン図、第５図は第１図の装置による平行移動パター
ン図、第６図は本発明を標点照準照射法に適用した装置
の三脚等の架台上の機器を示す平面図、第７図は第６図
の装置による初期投映図、第８図は第６図の装置による
２回目以降の投映図、第９図は本発明を座標入力投映法
に適用した装置の三脚等の架台上の機器を示す平面図、
第１０図は第９図の配置側面図、第１１図は第９図の装
置による座標関係を示す図、第１２図は本発明を発破パ
ターン映写用に適用した装置の三脚等の架台上の機器な
どを示す構成図、第１３図は第１２図の装置による発破
パターンの一映写例を示す図、第１４図は第１２図の装
置による削孔位置の表示法の説明図、第１５図は本発明
の装置に適用されるコントローラにおけるブロックダイ
ヤグラム、第１６図、第１７図及び第１８図は従来のト
ンネル中心線の出し方の説明図、第１９図は従来の支保
工の建込み位置の出し方の説明図、第２０図は従来のマ
ーキングによる掘削線の表示法の説明図である。 ■・・・切羽面、１３・・・三脚等の架台、１４・・・
レーザ光照射器、１５Ａ、１５Ｂ・・・反射ミラー、１
６・・・コントローラ、２・・・レーザ光。 第 図 第２−Ａ図 第２−８図 第 図 第 図 第 図 第 図 第１１ 図 第１３図 第２０図 １゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トンネル坑内の切羽面から所定距離離れた位置で照
   射されたレーザ光を２個の反射ミラーを介して切羽面に
   照射すると共に、上記２個の反射ミラーの振り角の制御
   により照射線を切羽面上に描くトンネルの切羽面へのレ
   ーザ光照射方法。 ２、架台上に設けられるレーザ光照射器及び該レーザ光
   照射器からのレーザ光を反射する振り角制御自在な２個
   の反射ミラーと、上記反射ミラーの振り角を制御するコ
   ントローラとからなるトンネルの切羽面へのレーザ光照
   射装置。 ３、架台上に設けられるジャイロコンパスと、光波距離
   計と、レーザ光照射器及び該レーザ光照射器からのレー
   ザ光を反射する振り角制御自在な２個の反射ミラーと、
   上記反射ミラーの振り角を制御するコントローラとから
   なるトンネルの切羽面へのレーザ光照射装置。