JP6677567B2 - トンネル掘削方法及び発破用孔設定システム - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削方法及び発破用孔設定システムに関する。

従来のトンネル掘削方法では、トンネルの切羽に対して削孔を行い、削孔された発破用孔に爆薬を充填して発破を行い、地盤を掘削する方法がある。このような発破用孔はトンネルの軸線に対して平行に形成されるものもあるが、条件によってはトンネルの軸線に対して所定の角度で傾斜するように削孔される。

特開２０１３−９１９４８号公報

トンネルの切羽に対して発破用孔を削孔する場合には、削孔開始点を位置決めしてから削孔を行う。削孔開始点が計画通りに位置決めされていないと、実際に削孔された発破用孔の位置がずれてしまい、計画通りに掘削されなくなる。また、トンネルの軸線に対して傾斜する発破用孔において、発破用孔のトンネルの軸線に対する角度が適切に設定されていないと、掘削される範囲がずれてしまい、計画通りに掘削されなくなる。例えば、計画よりも狭い範囲しか掘削できなかった場合には、追加の掘削作業が増えてしまい、工期が延長するおそれがある。また、計画よりも広い範囲が掘削された場合には、余分に掘削された範囲にコンクリートなどを施工する等の追加工事が発生し、コストが増大したり、工期が延長したりするおそれがある。また、ズリ処理量が増大することでコストが増大し、工期が延長するおそれがある。

本発明は、発破用孔を適切な位置に形成することを可能とし、生産性の低下を抑制することが可能なトンネル掘削方法及び発破用孔設定システムを提供することを目的とする。

本発明のトンネル掘削方法は、ガイドセルに沿って削孔ロッドをトンネルの切羽から前方に推進して形成した発破用孔に爆薬を充填して発破を行い、トンネルを掘削するトンネル掘削方法であって、実切羽面を計測する実切羽面計測工程と、トンネルの軸線方向において実切羽面より前方に位置し、発破による掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面を設定する目標次切羽面設定工程と、目標次切羽面上に、発破用孔の終点である孔尻の位置を設定する孔尻設定工程と、発破用孔に沿う発破用孔削孔線の傾斜角を設定する傾斜角設定工程と、実切羽面上に、発破用孔の始点である開口端部の位置を設定する開口端部設定工程と、削孔ロッドの先端を開口端部に当接する工程と、ガイドセルの角度を傾斜角に調整する工程と、削孔ロッドを推進させて、発破用孔を削孔する削孔工程と、を含む。

このトンネル掘削方法では実切羽面を計測し、計測された実切羽面に対して発破用孔の開口端部の位置を設定するので、発破用孔の削孔開始位置を適切に設定することができる。実切羽面の凹凸形状を考慮して掘削開始位置を設定することができる。そのため、設定された位置に精度よく発破用孔を削孔することができる。また、このトンネル掘削方法では、掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面を設定し、この目標次切羽面上に発破用孔の孔尻を設定するので、発破後の切羽面を考慮して１発破当たりの掘削範囲を管理することができる。

本発明のトンネル掘削方法は、ガイドセルに沿って削孔ロッドをトンネルの切羽から前方に推進して形成した発破用孔に爆薬を充填して発破を行い、トンネルを掘削するトンネル掘削方法であって、トンネルの実切羽面を計測する実切羽面計測工程と、トンネルの軸線方向において実切羽面より前方に位置し、発破による掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面を設定する目標次切羽面設定工程と、目標次切羽面上に、発破用孔の終点である孔尻の位置を設定する孔尻設定工程と、実切羽面上に、発破用孔の始点である開口端部の位置を設定する開口端部設定工程と、孔尻と開口端部とを通る発破用孔削孔線を設定する削孔線設定工程と、削孔ロッドの先端を開口端部に当接する工程と、削孔ロッドを発破用孔削孔線に沿って推進させて、発破用孔を削孔する削孔工程と、を含む。

このトンネル掘削方法では実切羽面を計測し、計測された実切羽面に対して発破用孔の開口端部の位置を設定するので、発破用孔の削孔開始位置を適切に設定することができる。実切羽面の凹凸形状を考慮して掘削開始位置を設定することができる。そのため、設定された位置に精度よく発破用孔を削孔することができる。また、このトンネル掘削方法では、掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面を設定し、この目標次切羽面上に発破用孔の孔尻を設定するので、発破後の切羽面を考慮して１発破当たりの掘削範囲を管理することができる。また、このトンネル掘削方法では、孔尻と開口端部とを通る発破用孔掘削線を設定し、設定された発破用孔削孔線に沿って、削孔ロッドを推進させて発破用孔を削孔することができる。また、設定された発破用孔削孔線の傾斜を把握して、掘削範囲を管理することができる。

トンネル掘削方法は、実切羽面に基づいて、トンネルの軸線に直交する仮想切羽面を設定する仮想切羽面設定工程を更に有し、開口端部設定工程では、仮想切羽面上に仮想の開口端部を設定し、削孔線設定工程では、仮想の開口端部と孔尻とを通るように発破用削孔線を設定し、開口端部設定工程では、発破用削孔線と実切羽面との交点を開口端部の位置として設定してもよい。このトンネル掘削方法では、仮想切羽面上に仮想の開口端部を設定した後に、この仮想の開口端部と孔尻とを通る発破用削孔線に沿って、開口端部を実切羽面上に移すことができる。そのため、実切羽面の凹凸に応じて、開口端部を設定することができる。

トンネル掘削方法は、実切羽面に基づいて、トンネルの軸線に直交する仮想切羽面を設定する仮想切羽面設定工程を更に有し、開口端部設定工程では、仮想切羽面上に仮想の開口端部を設定し、仮想の開口端部から軸線方向に移動させた位置であり、実切羽面上の位置を開口端部の位置として設定してもよい。これにより、開口端部を実切羽面上に設定する際に、発破用掘削線を算出する必要がなく、開口端部を設定する作業の簡素化が図れている。

発破用孔は、トンネルの周面側に配置された外周側発破用孔であり、孔尻設定工程は、トンネルの設計上の周面から径方向外側に位置し、発破による掘削後の仮想の周面である目標次周面を設定する目標次周面設定工程を含み、孔尻設定工程は、目標次周面と目標次切羽面との交点上に孔尻を設定してもよい。これにより、トンネルの径方向において、設計上の周面よりも外側に仮想の周面を設定することで、掘削範囲が設計よりも小さくなることが防止される。そのため、余分な掘削工事の発生を抑制することができる。また、このトンネル掘削方法では、掘削後の仮想の周面である目標次周面を設定し、この目標次周面と目標次切羽面上に発破用孔の孔尻を設定するので、発破後の周面及び切羽面を考慮して１発破当たりの掘削範囲を管理することができる。また、このように外周側の発破用孔の配置を管理することで、ズリ量の増大を抑制することができる。

発破用孔は、トンネルの径方向における中央部に形成される芯抜き用発破孔である。芯抜き用発破孔の削孔を適切に配置することで、トンネルの軸線方向における１発破進行長を確保することができる。芯抜き用発破が不適切であると、１発破進行長が短くなり工期が延長するおそれがある。

また、トンネル掘削方法は、開口端部から孔尻までの距離である実削孔長を算出する実削孔長算出工程を更に有し、削孔工程では、実削孔長分の発破用孔を削孔することができる。算出された実削孔長となるように削孔することで、発破用孔を適切に施工することができる。

本発明の発破用孔設定システムは、トンネルを掘削する際の発破用孔の配置を設定するための発破用孔設定システムであって、トンネルの実切羽面を計測する実切羽面計測部と、トンネルの軸線方向において実切羽面より前方に位置し、発破による掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面を設定する目標次切羽面設定部と、目標次切羽面上に、発破用孔の終点である孔尻の位置を設定する孔尻設定部と、発破用孔に沿う発破用孔削孔線の傾斜角を設定する傾斜角設定部と、発破用孔に沿う発破用孔削孔線の傾斜角を設定する傾斜角設定部と、実切羽面上に、発破用孔の始点である開口端部の位置を設定する開口端部設定部と、を備える。

この発破用孔設定システムでは実切羽面を計測し、計測された実切羽面に対して発破用孔の開口端部の位置を設定するので、発破用孔の削孔開始位置を適切に設定することができる。実切羽面の凹凸形状を考慮して掘削開始位置を設定することができる。そのため、設定された位置に精度よく発破用孔を削孔することができる。また、この発破用孔設定システムでは、掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面を設定し、この目標次切羽面上に発破用孔の孔尻を設定するので、発破後の切羽面を考慮して１発破当たりの掘削範囲を管理することができる。

本発明の発破用孔設定システムは、トンネルを掘削する際の発破用孔の配置を設定するための発破用孔設定システムであって、トンネルの実切羽面を計測する実切羽面計測部と、トンネルの軸線方向において実切羽面より前方に位置し、発破による掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面を設定する目標次切羽面設定部と、目標次切羽面上に、発破用孔の終点である孔尻の位置を設定する孔尻設定部と、実切羽面上に、発破用孔の始点である開口端部の位置を設定する開口端部設定部と、孔尻と開口端部とを通る発破用削孔線を設定する削孔線設定部と、を備える。

この発破用孔設定システムでは実切羽面を計測し、計測された実切羽面に対して発破用孔の開口端部の位置を設定するので、発破用孔の削孔開始位置を適切に設定することができる。実切羽面の凹凸形状を考慮して掘削開始位置を設定することができる。そのため、設定された位置に精度よく発破用孔を削孔することができる。また、この発破用孔設定システムでは、掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面を設定し、この目標次切羽面上に発破用孔の孔尻を設定するので、発破後の切羽面を考慮して１発破当たりの掘削範囲を管理することができる。また、この発破用孔設定システムでは、孔尻と開口端部とを通る発破用孔掘削線を設定し、設定された発破用孔削孔線に沿って、削孔ロッドを推進させて発破用孔を削孔することができる。また、設定された発破用孔削孔線の傾斜を把握して、掘削範囲を管理することができる。

本発明によれば、発破用孔を適切な位置に形成することができ、追加工事の発生を防止して、生産性の低下を抑制することができる。

掘削機が配置されたトンネルの内部を示す断面図であり、トンネル軸線方向に沿う面を側方から示す図である。 トンネルの実切羽面上に設定された外周側の発破用孔の位置を示す正面図である。 トンネル掘削工事における１サイクル進行長を示す概略図である。 トンネル掘削工事における１サイクル進行長、目標次設計切羽面、仮想切羽面及び目標次切羽面を示す概略図である。 第１実施形態における発破用孔の設定方法について説明するための概略図である。 第１実施形態の発破用孔設定システムを示すブロック構成図である。 第１実施形態のトンネル掘削方法の手順を示すフローチャートである。 第２実施形態の発破用孔設定システムを示すブロック構成図である。 第２実施形態における発破用孔の設定方法について説明するための概略図である。 第２実施形態のトンネル掘削方法の手順を示すフローチャートである。 第３実施形態の発破用孔設定システムを示すブロック構成図である。 第３実施形態における発破用孔の設定方法について説明するための概略図である。 第３実施形態のトンネル掘削方法の手順を示すフローチャートである。 第４実施形態における発破用孔の設定方法について説明するための概略図である。 第５実施形態の発破用孔設定システムを示すブロック構成図である。 第５実施形態のトンネル掘削方法の手順を示すフローチャートである。 第６実施形態における発破用孔の設定方法について説明するための概略図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
本実施形態に係るトンネル掘削方法は、爆薬を爆破させて地盤１０１を掘削して、トンネル１００を施工する方法である。このトンネル掘削方法では、例えば、図１に示されるように、掘削機１を用いてトンネル１００の実切羽面１０６に対して、爆薬が装填される複数の発破用孔を削孔する。

掘削機１は、いわゆるトンネルジャンボであり、移動可能な車体２と、作業者が搭乗可能なキャビン３と、車体２に支持されて前方に延びるガイドセル４と、を有する。車体２は、例えば、トンネル１００の軸線方向Ｘに移動し、作業に応じて前進または後退する。キャビン３は、ガイドセル４を操作するための操縦席であり、車体２の上部に設けられている。キャビン３には、ガイドセル４を操作するための操作レバーの他、各種情報を表示する表示部（例えば液晶表示部）が設けられている。

ガイドセル４には、発破用孔を削孔するための削孔ロッドを把持している。ガイドセル４は、当該ガイドセル４に沿って、削孔ロッドを前方に送り出す機能を備える。削孔ロッドの先端には削孔ビットが装着されている。削孔ビットが地山（切羽）を回転・打撃することで、削孔ロッドは切羽から前方に推進されて発破用孔を形成することができる。

ガイドセル４は、複数の関節を有するアーム６よって支持されている。アーム６には、ガイドセル４の位置、角度を調整するための駆動ユニット（不図示）が設けられている。駆動ユニットは、油圧シリンダ、電動モータなどを有する。また、アーム６には、ガイドセル４の位置を検出するための各種センサが設けられている。掘削機１では、駆動ユニットを操作することで、ガイドセル４を任意の位置に設定でき、任意の角度に調整することができる。したがって、削孔ロッドも任意の位置に設定され、任意の角度に調整される。

掘削機１の作業者は、キャビン３からガイドセル４の操作を行って、開口端部（掘削開始点）１０４にガイドセル４の削孔ロッドの先端４ａを位置合わせすることができる。同様に、掘削機１の作業者は、キャビン３からガイドセル４の操作を行って、ガイドセル４の角度を調整することができる。

本実施形態に係るトンネル掘削方法では、図２に示されるように、トンネル１００の周面１００ａ近傍に沿って複数の外周側発破用孔（以下「発破用孔」という）１０３を削孔する。図３は、発破用孔１０３の配置を示す概略図である。発破用孔１０３の長手方向における両端のうち、実切羽面１０６側の端部が開口端部１０４であり、反対側の端部が孔尻１０５である。発破用孔１０３が掘削される際には、掘削開始点である開口端部（始点）１０４から掘削終了点である孔尻（終点）１０５まで掘削される。

図４は、トンネル掘削工事における１サイクル進行長Ｌ１０２、目標次設計切羽面１１０、仮想切羽面１０７及び目標次切羽面１０８を示す概略図である。トンネル掘削工事における１サイクル進行における作業としては、切羽の発破、発破ずりの搬出、コンクリート吹付け（鋼製支保工の建込を伴う場合あり）、ロックブルの設置等が行われる。これらの作業は、トンネルの坑口から１サイクル進行長Ｌ１０２ごとに実施される。したがって、トンネル坑口から、１サイクルの進行長Ｌ１０２を累積加算して、各トンネル進行位置１１１が設定される。１サイクルの進行長Ｌ１０２としては、例えば、１．０ｍ、１．５ｍ、２．０ｍとすることができる。

目標次設計切羽面１１０は、次の発破により掘削される設計上の進行位置１１１における仮想の切羽面である。目標次切羽面１０８は、トンネル１００の軸線方向Ｘにおいて実切羽面１０６よりも前方に位置する仮想の切羽面であり、例えば、目標次設計切羽面１１０の位置に基づいて設定される。

図５は、第１実施形態に係るトンネル掘削方法における発破用孔の設定方法について説明するための概略図である。図５は、図２中のＩＶ−ＩＶ線に沿う切断面を示している。図５に示されるように、発破用孔１０３は、トンネル１００の軸線Ｌ１００に対して傾斜している。開口端部１０４と孔尻１０５とを通る直線である外周側削孔線（以下「削孔線」という）Ｌ１０３は、トンネル１００の軸線Ｌ１００に対して傾斜している。

次に、トンネル掘削方法で利用可能な発破用孔設定システム１０について説明する。図６は、発破用孔設定システムを示すブロック構成図である。発破用孔設定システム１０は、発破用孔１０３の開口端部１０４及び孔尻１０５の位置を設定する。発破用孔設定システム１０は、例えば掘削機１に搭載されている。発破用孔設定システム１０の全体が掘削機１に搭載されていてもよく、発破用孔設定システム１０の一部が掘削機１に搭載されていてもよい。

発破用孔設定システム１０は、三次元レーザスキャナ（実切羽面計測部）１１、及び削孔線設定ユニット１２を備える。また、発破用孔設定システム１０は、ガイドセル４を誘導するための誘導部１３を備える構成でもよい。

三次元レーザスキャナ１１は、実切羽面１０６の凹凸形状（三次元座標）を計測する表面形状計測部である。三次元レーザスキャナ１１は、例えば、車体２の前面に設置されている。三次元レーザスキャナ１１は、車体２の前方にレーザ光Ｌ_１１を照射して、車体２の前方の実切羽面１０６の三次元座標に関する情報を取得する。なお、三次元レーザスキャナ１１は、車体２に搭載されていないものでもよい。三次元レーザスキャナ１１で計測された実切羽面１０６の三次元座標に関する情報は、削孔線設定ユニット１２に出力される。なお、実切羽面を計測する実切羽面計測部は、三次元レーザスキャナに限定されず、その他の光や超音波を照射して、実切羽面１０６の凹凸形状を計測するものでもよい。

削孔線設定ユニット１２は、演算処理を行うＣＰＵ、記憶部１４となるＲＯＭ及びＲＡＭ、入力信号回路、出力信号回路、電源回路などにより構成されている。削孔線設定ユニット１２では、記憶部１４に記憶されたプログラムを実行することで、トンネル進行位置設定部１５、目標次切羽面設定部１８及び削孔線設定部２０が構築される。

トンネル進行位置設定部１５は、トンネル進行位置１１１を設定する。トンネル進行位置１１１とは、例えば１サイクルにおける作業が実施される設計上の境界位置である。トンネル進行位置１１１に関する情報は、例えば記憶部１４に記憶されている。トンネル進行位置設定部１５は、トンネル坑口から順次、１サイクルの進行長Ｌ１０２分、進んだ位置にトンネル進行位置１１１を設定し、次の発破、掘削作業を行うトンネル進行位置１１１を設定する。１サイクル進行長Ｌ１０２は、例えば、岩盤の硬さ、過去のデータに基づいて設定することができる。

目標次切羽面設定部１８は、次回の発破による掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面１０８を設定する。目標次切羽面設定部１８は、次の進行位置１１１に位置する目標次設計切羽面１１０に基づいて設定される。目標次切羽面１０８は、例えば、トンネル１００の軸線Ｌ１００に直交する鉛直面として設定される。

削孔線設定部２０は、孔尻設定部２１、削孔開始点設定部２２及び傾斜角設定部２３を含む。削孔線設定部２０は、孔尻１０５及び傾斜角θに基づいて、削孔線Ｌ１０３を設定する。

なお、削孔線設定部２０は、孔尻１０５及び開口端部１０４の２点に基づいて、これらの２点を通る削孔線Ｌ１０３を設定する。また、削孔線設定部２０は、開口端部１０４及び軸線Ｌ１００に対する傾斜角θに基づいて、削孔線Ｌ１０３を設定してもよい。

孔尻設定部２１は、孔尻１０５の位置を設定する。例えば、孔尻１０５を目標次切羽面１０８上に設定する。また、孔尻設定部２１は、例えば、径方向における余掘り分を見込んだ位置に孔尻１０５を設定してもよい。孔尻設定部２１は、余掘り分を見込んで設定された外側掘削線Ｌ１００ｂと、目標次切羽面１０８との交点を、孔尻１０５の位置として設定することができる。

孔尻設定部２１は、外側掘削線Ｌ１００ｂを設定する外側掘削線設定部を備えている構成でもよい。外側掘削線Ｌ１００ｂは、発破用孔１０３の孔尻１０５の位置を設定する際に使用可能な仮想の線である。外側掘削線設定部は、次回の発破による掘削後の仮想の周面である目標次周面１００ｂを設定し、この目標次周面１００ｂに沿うと共に、トンネル１００の軸線方向Ｘに延在する外側掘削線Ｌ１００ｂを設定する。外側掘削線設定部は、トンネル１００の設計上の周面１００ｃから径方向外側に位置するように目標次周面１００ｂを設定する。外側掘削線設定部は、例えば、設計上の周面１００ｃから長さＬβ分、外側の位置に、目標次周面１００ｂを設定し、外側掘削線Ｌ１００ｂを設定する。この長さＬβは余掘り分を見込んで設定される。

傾斜角設定部２３は、削孔線Ｌ１０３の傾斜角θを算出する。傾斜角θは、トンネル１００の軸線Ｌ１００に対する外周側削孔線Ｌ１０３の傾斜角である。傾斜角設定部２３は、予め記憶部１４に記憶されてデータを読み込んで傾斜角θを設定する。

削孔開始点設定部２２は開口端部１０４の位置を設定する。削孔開始点設定部２２は、計測された実切羽面１０６上に開口端部１０４の位置を設定する。削孔開始点設定部２２は、削孔線Ｌ１０３と実切羽面１０６との交点とを開口端部１０４の位置として設定する。

誘導部１３は、例えば、カメラ及び表示部を有する。カメラは、実切羽面１０６を撮影するものである。表示部は、カメラによって撮影された動画を表示する。例えば表示部上に開口端部１０４を表示する。これにより、作業者は、表示部に表示された開口端部１０４に対して、ガイドセル４の削孔ロッドの先端４ａを合わせることで、削孔開始点の位置決めを行う。また、誘導部１３は、図１に示されるように、レーザ光源１３ａを備え、レーザ光Ｌ１３を実切羽面１０６に対して照射して、開口端部１０４の位置を示すものでもよい。なお、レーザ光源１３ａは、トンネル１００の天井部に設置されていてもよく、トンネル１００の底面に設置されていてもよく、掘削機１に搭載されていてもよい。

次に、図７を参照して、第１実施形態に係るトンネル掘削方法の手順について説明する。

次に、発破用孔設定システム１０は、三次元レーザスキャナ１１を用いて、実切羽面１０６を計測する（ステップＳ１；実切羽面計測工程）。計測されたデータは、削孔線設定ユニット１２に出力される。削孔線設定ユニット１２は、実切羽面１０６の凹凸形状（三次元座標）を示す位置座標に関するデータを取得する。

次に目標次切羽面設定部１８は、予め設定されている目標次設計切羽面１１０に基づいて、目標次切羽面１０８を設定する（ステップＳ２；目標次切羽面設定工程）。目標次切羽面設定部１８は、例えば、目標次設計切羽面１１０にトンネル軸線方向Ｘの余掘りを考慮して目標次切羽面１０８を設定する。トンネル軸線方向Ｘの余掘りとは、例えば、鋼製支保工建込の作業のための余裕の空間を含むものである。

次に、削孔線設定部２０の孔尻設定部２１は、外側掘削線Ｌ１００ｂを設定する（ステップＳ３；目標次周面設定工程）。具体的には、設計上の周面１００ｃから長さＬβ分、径方向外側の位置に、目標次周面１００ｂを設定して外側掘削線Ｌ１００ｂを設定する。長さＬβは余掘り量を見込んで設定される。

次に、孔尻設定部２１は、孔尻１０５の位置を設定する（ステップＳ４；孔尻設定工程）。具体的には、外側掘削線Ｌ１００ｂと目標次切羽面１０８との交点を、孔尻１０５の位置として設定する。

次に、傾斜角設定部２３は、記憶部１４に記憶されている傾斜角θを読み込んで、削孔線Ｌ１０３の傾斜角θとして設定する（ステップＳ５；傾斜角設定工程）。

次に、削孔開始点設定部２２は、開口端部１０４の位置を設定する（ステップＳ６；開口端部設定工程）。具体的には、削孔線Ｌ１０３と実切羽面１０６との交点を、開口端部１０４の位置として設定する。

削孔線設定部２０は、周方向において、複数の削孔線Ｌ１０３をそれぞれ設定する。削孔線設定部２０は、複数の削孔線Ｌ１０３について、開口端部１０４の位置をそれぞれ設定する。

次に、発破用孔設定システム１０は、ガイドセル４に把持された削孔ロッドを当該ガイドセル４に沿って移動させて、削孔ロッドの先端４ａを開口端部１０４に当接して位置決めを行う（ステップＳ７）。また、発破用孔設定システム１０は、誘導部１３を用いてガイドセル４に把持された削孔ロッドの先端４ａを開口端部１０４に誘導して、位置決めを行ってもよい。次に、発破用孔設定システム１０は、ガイドセル４の角度を傾斜角θに調整する（ステップＳ８）。そして、削孔ロッドを推進させて、開口端部１０４から孔尻１０５まで、発破用孔１０３を削孔する（ステップＳ９；削孔工程）。

また、トンネル掘削方法では、開口端部１０４から孔尻１０５までの距離である実削孔長を算出する実削孔長算出工程を実施してもよい。そして、削孔工程Ｓ９において、実削孔長分の発破用孔１０３を削孔してもよい。削孔工程Ｓ９の実行後、削孔された発破用孔１０３に爆薬を充填して発破を行い、トンネル１００を掘削する。

このトンネル掘削方法では、実切羽面１０６を計測し、計測された実切羽面１０６に対して、発破用孔１０３の開口端部１０４の位置を設定するので、発破用孔１０３の削孔開始位置を適切に設定することができる。従来の方法では、実切羽面１０６を計測せず、凹凸形状に関係なく削孔開始位置が設定されていたので、設定された位置との異なる場所に、発破用孔が削孔されるおそれがあった。本実施形態では、実切羽面１０６の凹凸形状を考慮して削孔開始位置が設定されるので、設定された位置に精度良く外周側発破用孔１０３を削孔することができる。

また、このトンネル掘削方法では、目標次切羽面１０８上に発破用孔１０３の孔尻１０５を設定するので、発破後の切羽面を考慮して１発破当たりの掘削範囲を管理することができる。また、このトンネル掘削方法では、予め設定された傾斜角θに基づいて削孔線Ｌ１０３を設定するので、傾斜角θを把握して掘削範囲を管理することができる。

また、トンネル１００の径方向において、設計上の周面１００ｃよりも外側に目標次周面１００ｂを設定することで、掘削範囲が設計よりも小さくなることが防止される。そのため、余分な掘削工事の発生を抑制することができる。また、このトンネル掘削方法では、目標次周面１００ｂと目標次切羽面１０８との交点に発破用孔１０３の孔尻１０５を設定するので、発破後の周面及び切羽面を考慮して１発破当たりの掘削範囲を管理することができる。また、このように外周側の発破用孔１０３の配置を管理することで、ズリ量の増大を抑制することができ、コスト増大を防止することができる。

（第２実施形態）
次に、図８〜図１０を参照して、第２実施形態に係るトンネル掘削方法について説明する。第２実施形態に係るトンネル掘削方法が、第１実施形態に係るトンネル掘削方法と異なる点は、発破用孔１０３の設定手順が違う点であり、具体的には、開口端部１０４の設定手順が異なる点である。なお、第２実施形態の説明において、第１実施形態と同様の説明は省略する。

図８は、第２実施形態の発破用孔設定システム１０を示すブロック構成図である。第２実施形態の発破用孔設定システム１０が、第１実施形態の発破用孔設定システム１０と違う点は、傾斜角設定部２３に代えてガイドセル可動境界設定部２５を備える点である。削孔線設定部２０は、孔尻設定部２１、削孔開始点設定部２２及びガイドセル可動境界設定部２５を備える。

ガイドセル可動境界設定部２５は、図９に示されるように、トンネル１００の周面１００ａを形成する支保工及びコンクリート厚み（支保厚）分を見込んでガイドセル可動境界Ｌ１００ｄを設定する。ガイドセル可動境界Ｌ１００ｄは、発破用孔１０３の開口端部１０４の位置を設定する際に使用可能な仮想の線である。ガイドセル可動境界設定部２５は、トンネル１００の設計上の周面１００ｃから径方向内側にガイドセル可動境界Ｌ１００ｄを設定する。ガイドセル可動境界Ｌ１００ｄは、トンネル１００の軸線方向Ｘに沿って延在している。ガイドセル可動境界設定部２５は、例えば、トンネル１００の周面１００ａより径方向内側に、ガイドセル可動境界Ｌ１００ｄを設定する。ガイドセル可動境界設定部２５は、例えば、設計上の周面１００ｃから長さＬα分、径方向内側の位置にガイドセル可動境界Ｌ１００ｄを設定する。この長さＬαは一次支保工とガイドセルが接触しない余裕の長さを見込んで設定される。

削孔開始点設定部２２は、ガイドセル可動境界Ｌ１００ｄと、実切羽面１０６との交点を開口端部１０４の位置として設定する。削孔線設定部２０は、孔尻１０５及び開口端部１０４の２点に基づいて、これらの２点を通る削孔線Ｌ１０３を設定する。

次に、第２実施形態に係るトンネル掘削方法の手順について説明する。図１０は、第２実施形態における発破用孔の設定手順を示すフローチャートである。第２実施形態では、第１実施形態の図７のフローチャートと比較して、ステップＳ５に代えて、ステップＳ１５を実施する。

第２実施形態において、ステップＳ１からステップＳ４の処理は、第１実施形態と同じである。第２実施形態では、ステップＳ４で、孔尻１０５の位置を設定した後、ステップＳ１５の処理を実行する。

ステップＳ１５では、ガイドセル可動境界設定部２５は、ガイドセル可動境界Ｌ１００ｄを設定する。具体的には、一次支保工の仕上面１００ａから長さＬα分、径方向内側の位置にガイドセル可動境界Ｌ１００ｄを設定する。長さＬαは一次支保工とガイドセルが接触しない余裕の長さを見込んで設定される。

ステップＳ１５の実行後、ステップＳ６を実行する。ステップＳ６では、削孔開始点設定部２２は、ガイドセル可動境界Ｌ１００ｄと実切羽面１０６との交点を、開口端部１０４の位置として設定する。

そして、発破用孔設定システム１０の削孔線設定部２０は、孔尻１０５と開口端部１０４とを通る削孔線Ｌ１０３を設定し、この削孔線Ｌ１０３の軸線Ｌ１００に対する傾斜角θを算出することができる。

続いて、第１実施形態と同様に、ステップＳ７〜Ｓ９の処理を実行する。

このような第２実施形態のトンネル掘削方法では、第１実施形態のトンネル掘削方法と同様の作用効果を奏する。

第２実施形態のトンネル掘削方法では、ガイドセル可動境界Ｌ１００ｄに基づいて開口端部１０４が設定されるので、ガイドセルが支保工及びコンクリートに当たらないようにすることができる。また、実際に削孔ができない位置に発破用孔１０３が設定されることを防止して、再設定などによる余分な作業の発生を防止することができる。

（第３実施形態）
次に、図１１〜図１３を参照して、第３実施形態に係るトンネル掘削方法の手順について説明する。第３実施形態に係るトンネル掘削方法が、第２実施形態に係るトンネル掘削方法と異なる点は、発破用孔１０３の設定手順が違う点であり、具体的には、開口端部１０４の設定手順が異なる点である。なお、第３実施形態の説明において、第１，第２実施形態と同様の説明は省略する。

図１１は、第３実施形態の発破用孔設定システムを示すブロック構成図である。図１２は、第３実施形態における発破用孔の設定方法について説明するための概略図である。第３実施形態に係る発破用孔設定システム１０が、第２実施形態の発破用孔設定システム１０と違う点は、仮想切羽面設定部１７を更に備えている点である。削孔線設定ユニット１２は、トンネル進行位置設定部１５、目標次切羽面設定部１８、仮想切羽面設定部１７及び削孔線設定部２０を備える。

仮想切羽面設定部１７は、図１２に示されるように、実切羽面１０６について近似された仮想の切羽面である仮想切羽面１０７を設定する。仮想切羽面１０７は、例えば、トンネル１００の軸線Ｌ１００に直交するように設定される。仮想切羽面設定部１７は、例えば、実切羽面１０６において最も後側（手前側）の点を通る面を仮想切羽面１０７として設定してもよい。また、仮想切羽面設定部１７は、実切羽面１０６において最も前側（奥側）の点を通る面を仮想切羽面として設定してもよい。また、仮想切羽面設定部１７は、実切羽面１０６の凹凸形状の平均位置に基づいて、仮想切羽面１０７を設定してもよい。また、仮想切羽面設定部１７は、作業者によって入力された値を、仮想切羽面１０７として設定してもよい。

また、仮想切羽面設定部１７は、図４に示されるように、トンネル進行位置１１１に基づいて仮想切羽面１０７を設定してもよい。仮想切羽面設定部１７は、例えば、トンネル進行位置１１１に仮想切羽面１０７を設定してもよく、トンネル進行位置１１１から一定の距離分ずれた位置に、仮想切羽面１０７を設定してもよい。

削孔開始点設定部２２は、仮想切羽面１０７上に仮想の開口端部１０９の位置を設定する仮想開口端部設定部を含む。仮想開口端部設定部は、支保厚を見込んで設定されたガイドセル可動境界Ｌ１００ｄと、仮想切羽面１０７との交点を、仮想の開口端部１０９の位置として設定する。

削孔開始点設定部２２は、仮想の開口端部１０９の位置に基づいて、開口端部１０４の位置を設定する。具体的には、仮想の開口端部１０９と孔尻１０５とを通る削孔線Ｌ１０３を設定し、この削孔線Ｌ１０３と実切羽面１０６との交点を、開口端部１０４の位置と設定する。削孔線設定部２０は、孔尻１０５及び開口端部１０４の２点に基づいて、これらの２点を通る削孔線Ｌ１０３を設定する。

次に、第３実施形態に係るトンネル掘削方法の手順について説明する。図１３は、第３実施形態のトンネル掘削方法の手順を示すフローチャートである。第３実施形態では、第２実施形態の図１０のフローチャートと比較して、ステップＳ１５の後に、ステップＳ１６，Ｓ１７を実施する。

第３実施形態において、ステップＳ１からステップＳ４の処理、及びステップＳ１５の処理は、第２実施形態と同じである。第３実施形態では、ステップＳ１５でガイドセル可動境界Ｌ１００ｄを設定した後、ステップＳ１６の処理を実行する。

ステップＳ１６では、仮想切羽面設定部１７は、仮想切羽面１０７を設定する（仮想切羽面設定工程）。仮想切羽面設定部１７は、例えば、実切羽面１０６のうち最も手前側の位置（最も突出している位置）を通る面を仮想切羽面１０７として設定する。

次に、削孔開始点設定部２２の仮想開口端部設定部は、仮想の開口端部１０９の位置を設定する（ステップＳ１７）。具体的には、ガイドセル可動境界Ｌ１００ｄと仮想切羽面１０７との交点を、仮想の開口端部１０９の位置として設定する。

ステップＳ１７の実行後、ステップＳ６を実行する。ステップＳ６では、削孔線設定部２０が削孔線Ｌ１０３を設定し（削孔線設定工程）、削孔開始点設定部２２が開口端部１０４の位置を設定する（開口端部設定工程）。具体的には、削孔線設定部２０は、仮想の開口端部１０９と孔尻１０５とを通る直線を削孔線Ｌ１０３として設定する。続いて、削孔開始点設定部２２が、削孔線Ｌ１０３と実切羽面１０６との交点を、開口端部１０４の位置として設定する。

そして、発破用孔設定システム１０の削孔線設定部２０は、孔尻１０５と開口端部１０４とを通る削孔線Ｌ１０３を設定し、この削孔線Ｌ１０３の軸線Ｌ１００に対する傾斜角θを算出することができる。続いて、第１実施形態と同様に、ステップＳ７〜Ｓ９の処理を実行する。

このような第３実施形態のトンネル掘削方法においても、第１，第２実施形態と同様の作用効果を奏する。

（第４実施形態）
次に、図１１、図１３及び図１４を参照して、第４実施形態に係るトンネル掘削方法の手順について説明する。図１４は、第４実施形態における発破用孔の設定方法について説明するための概略図である。第４実施形態に係るトンネル掘削方法が、第３実施形態に係るトンネル掘削方法と異なる点は、開口端部１０４の設定手順が異なる点である。なお、第４実施形態の説明において、第１〜第３実施形態と同様の説明は省略する。

第４実施形態に係る発破用孔設定システム１０は、図１１に示される第３実施形態の発破用孔設定システム１０と同じである。削孔開始点設定部２２は、ガイドセル可動境界Ｌ１００ｄと仮想切羽面１０７との交点を、仮想の開口端部１０９の位置として設定し、この仮想の開口端部１０９から軸線Ｌ１００に沿って移動した位置を開口端部１０４として設定する。なお、仮想の開口端部１０９を設定せずに、開口端部１０４を設定してもよい。

そして、削孔線設定部２０は、開口端部１０４及び孔尻１０５の２点に基づいて、これらの２点を通る削孔線Ｌ１０３を設定する。

次に、第４実施形態に係るトンネル掘削方法の手順について説明する。第４実施形態では、第３実施形態の図１３のフローチャートと比較して、ステップＳ６における処理が異なる。

ステップＳ６では、削孔開始点設定部２２は開口端部１０４の位置を設定する。具体的には、仮想の開口端部１０９からトンネル１００の軸線Ｌ１００に沿って移動した位置であり、実切羽面１０６上の位置を開口端部１０４として設定する。

次に、削孔線設定部２０は、削孔線Ｌ１０３を設定する。具体的には、開口端部１０４と孔尻１０５とを通る直線を削孔線Ｌ１０３として設定する。そして、発破用孔設定システム１０の削孔線設定部２０は、孔尻１０５と開口端部１０４とを通る削孔線Ｌ１０３を設定し、この削孔線Ｌ１０３の軸線Ｌ１００に対する傾斜角θを算出することができる。続いて、第１実施形態と同様に、ステップＳ７〜Ｓ９の処理を実行する。

このような第４実施形態のトンネル掘削方法においても、第１〜３実施形態と同様の作用効果を奏する。

（第５実施形態）
次に、図９、図１５、図１６を参照して、第５実施形態に係るトンネル掘削方法について説明する。第５実施形態に係るトンネル掘削方法が、第１実施形態に係るトンネル掘削方法と異なる点は、発破用孔１０３の設定手順が違う点であり、具体的には、傾斜角θ及び開口端部１０４の位置に基づいて、削孔線Ｌ１０３を設定する。なお、第５実施形態の説明において、第１〜第４実施形態と同様の説明は省略する。

図１５は、第５実施形態の発破用孔設定システム１０を示すブロック構成図である。第５実施形態の発破用孔設定システム１０が、第１実施形態の発破用孔設定システム１０と違う点は、ガイドセル可動境界設定部２５を更に備える点である。削孔線設定部２０は、孔尻設定部２１、削孔開始点設定部２２、傾斜角設定部２３及びガイドセル可動境界設定部２５を備える。

次に、第５実施形態に係るトンネル掘削方法の手順について説明する。第５実施形態では、第１実施形態の図７のフローチャートと比較して、ステップＳ３，Ｓ４に代えて、ステップＳ１５の処理を実行する点で異なる。また、ステップＳ６における処理内容が第１実施形態と異なっている。

ステップＳ６では、削孔開始点設定部２２は、ガイドセル可動境界Ｌ１００ｄと実切羽面１０６との交点を、開口端部１０４の位置として設定する。そして、発破用孔設定システム１０の削孔線設定部２０は、開口端部１０４を通り、傾斜角θで傾斜する直線を削孔線Ｌ１０３として設定する。続いて、第１実施形態と同様に、ステップＳ７〜Ｓ９の処理を実行する。

このような第５実施形態のトンネル掘削方法においても、第１〜４実施形態と同様の作用効果を奏する。

（第６実施形態）
次に、図１７を参照して、第６実施形態に係るトンネル掘削方法について説明する。図１７は、第６実施形態における発破用孔の設定方法について説明するための概略図である。図１７は、トンネル１００の軸線方向において水平方向に切った断面を示している。

第６実施形態では、実切羽面１０６に対して芯抜きを行う場合において、芯抜き用発破孔（発破用孔）１１３を削孔する場合について説明する。芯抜きとは、トンネル１００の径方向の中央部に対して実施され、実切羽面１０６において最初に実施される発破である。芯抜きを実施する場合には、軸線Ｌ１００を囲むように、複数の芯抜き用発破孔１１３を削孔して、発破を行う。

芯抜き用発破孔１１３は、径方向Ｙにおいて外側から内側に向かうように傾斜している。芯抜きでは、例えば、目標次切羽面１０８上で、軸線Ｌ１００から距離Ｄ分離れた位置に孔尻１１５を設定し、軸線Ｌ１００を挟んで一対の芯抜き用発破孔１１３が形成される。一対の芯抜き用発破孔１１３は、上下方向に複数設置される。このような芯抜き用発破孔１１３に爆薬を充填して発破を行うことにより、くさび状を成すように地盤がくり抜かれる。

このトンネル掘削方法では、第３実施形態と同様に、図１３に示された処理を実行する。ただし、図１３におけるステップＳ６において、開口端部１０４を設定し、芯抜き用の削孔線Ｌ１１３を設定する。

この芯抜き用の削孔線Ｌ１１３を設定する処理では、孔尻１１５の位置を設定した後、仮想の開口端部１１９を設定し、削孔線Ｌ１１３を設定する。孔尻１１５の位置は、トンネル径方向において、軸線Ｌ１００から距離Ｄの位置で、目標次切羽面１０８上に設定される。仮想の開口端部１１９は、仮想切羽面１０７上に設定される。仮想の開口端部１１９は、トンネル１００の径方向Ｙにおいて、軸線Ｌ１００から長さＬγ分、離れた位置に設定される。例えば、長さＬγとしては、過去の実績値や、設計値を用いることができる。

このトンネル掘削方法では、孔尻１１５と仮想の開口端部１１９との２点を通る削孔線Ｌ１１３を設定する。そして、この削孔線Ｌ１１３と実切羽面１０６との交点を開口端部１１４と設定する。また、軸線Ｌ１００に対する削孔線Ｌ１１３の傾斜角θを算出する。更に、開口端部１１４と孔尻１１５との距離である実削孔長Ｌを算出する。

このようなトンネル掘削方法では、傾斜角θの芯抜き用発破孔１１３を、開口端部１１４から実削孔長Ｌ_ＰＸ分削孔する。芯抜き用発破孔１１３は、高さ方向に間隔を開けて、複数箇所に削孔される。

なお、削孔線Ｌ１１３を設定する処理としては、仮想切羽面７を設定せずに、開口端部１１４を設定してもよい。また、削孔線Ｌ１１３を設定する処理において、傾斜角θを決めた後、開口端部１１４を通る直線を設定して、削孔線Ｌ１１３としてもよく、傾斜角θを決めた後、孔尻１１５を通る直線を設定して、削孔線Ｌ１１３としてもよい。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

上記実施形態では、外周側削孔線Ｌ１０３の設定、及び芯抜き用の削孔線Ｌ１１３の設定について説明しているが、その他の位置に形成される発破用孔の削孔線を設定する際に本発明を適用してもよい。

また、上記の実施形態における処理は、適宜、順番を入れ替えて実施することができる。例えば、実切羽面１０６を計測した後に、１発破進行長Ｌ１０２を設定してもよい。また、目標次切羽面１０８を設定した後に、実切羽面１０６を計測してもよい。

１…掘削機
２…車体
３…キャビン
４…ガイドセル、４ａ…先端
６…アーム
１１…三次元レーザスキャナ
１２…削孔線設定ユニット
１３…誘導部、１３ａ…レーザ光源
１４…記憶部
１５…１発破進行長設定部
１７…仮想切羽面設定部
１８…目標次切羽面設定部
２０…削孔線設定部
２１…孔尻設定部
２２…削孔開始点設定部
２３…傾斜角設定部
２４…実削孔長算出部
１００…トンネル
１００ａ…周面
１００ｂ…目標次周面
１００ｃ…設計上の周面
１０１…地盤
１０３…外周側発破用孔
１０４，１０９，１１４，１１９…開口端部
１０５，１１５…孔尻
１０６…実切羽面
１０７…仮想切羽面
１０８…目標次切羽面
１０９，１１９…仮想の開口端部
１１３…芯抜き用発破孔（発破用孔）
Ｌ１０３，Ｌ１０３Ｂ…外周側削孔線
Ｌ１００ｄ…ガイドセル可動境界（内側掘削線）
Ｌ１１３…芯抜き用の削孔線

Claims (7)

1. ガイドセルに沿って削孔ロッドをトンネルの切羽から前方に推進して発破用孔を形成すると共に、形成した前記発破用孔に爆薬を充填して発破を行い、前記トンネルを掘削するトンネル掘削方法であって、
   前記トンネルの実切羽面を計測する実切羽面計測工程と、
   前記トンネルの軸線方向において前記実切羽面より前方に位置し、次の前記発破による掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面を設定する目標次切羽面設定工程と、
   前記目標次切羽面上に、次の前記発破のための前記発破用孔の終点である孔尻の位置を設定する孔尻設定工程と、
   前記トンネルの設計上の周面から径方向内側にガイドセル可動境界を設定するガイドセル可動境界設定工程と、
   設定した前記孔尻の位置と前記ガイドセル可動境界とに基づいて、前記実切羽面上に、前記発破用孔の始点である開口端部の位置を設定する開口端部設定工程と、
   前記孔尻と前記開口端部とを通る発破用孔削孔線を設定する削孔線設定工程と、
   前記削孔ロッドの先端を前記開口端部に当接する工程と、
   前記削孔ロッドを前記発破用孔削孔線に沿って推進させて、前記発破用孔を削孔する削孔工程と、
   を含むトンネル掘削方法。
2. 前記実切羽面上の最も後側に位置する点を通り且つ前記トンネルの軸線に直交する仮想切羽面を設定する仮想切羽面設定工程を更に有し、
   前記開口端部設定工程では、前記仮想切羽面上における前記ガイドセル可動境界と前記仮想切羽面との交点に仮想の開口端部を設定し、
   前記削孔線設定工程では、前記仮想の開口端部と前記孔尻とを通るように前記発破用削孔線を設定し、
   前記開口端部設定工程では、前記発破用削孔線と前記実切羽面との交点を前記開口端部の位置として設定する請求項１に記載のトンネル掘削方法。
3. 前記開口端部設定工程では、前記仮想切羽面上における前記ガイドセル可動境界と前記仮想切羽面との交点として設定した前記仮想の開口端部から前記軸線方向に移動させた前記実切羽面上の位置を前記開口端部の位置として設定する、請求項２に記載のトンネル掘削方法。
4. 前記発破用孔は、前記トンネルの周面側に配置された外周側発破用孔であり、
   前記孔尻設定工程は、前記トンネルの設計上の周面から径方向外側に位置し、前記発破による掘削後の仮想の周面である目標次周面を設定する目標次周面設定工程を含み、
   前記孔尻設定工程は、前記目標次周面と前記目標次切羽面との交点上に前記孔尻を設定する請求項１〜３の何れか一項に記載のトンネル掘削方法。
5. 前記開口端部から前記孔尻までの距離である実削孔長を算出する実削孔長算出工程を更に有し、
   前記削孔工程では、前記実削孔長分の前記発破用孔を削孔する請求項１〜４の何れか一項に記載のトンネル掘削方法。
6. トンネルを掘削する際の発破用孔の配置を設定するための発破用孔設定システムであって、
   前記トンネルの実切羽面を計測する実切羽面計測部と、
   前記トンネルの軸線方向において前記実切羽面より前方に位置し、次の前記発破による掘削後の仮想の切羽面である目標次切羽面を設定する目標次切羽面設定部と、
   前記目標次切羽面上に、次の前記発破のための前記発破用孔の終点である孔尻の位置を設定する孔尻設定部と、
   前記トンネルの設計上の周面から径方向内側にガイドセル可動境界を設定するガイドセル可動境界設定部と、
   設定した前記孔尻の位置と前記ガイドセル可動境界とに基づいて、前記実切羽面上に、前記発破用孔の始点である開口端部の位置を設定する開口端部設定部と、
   前記孔尻と前記開口端部とを通る発破用削孔線を設定する削孔線設定部と、を備える発破用孔設定システム。
7. 前記実切羽面上の最も後側に位置する点を通り且つ前記トンネルの軸線に直交する仮想切羽面を設定する仮想切羽面設定部を更に備え、
   前記開口端部設定部は、前記仮想切羽面上における前記ガイドセル可動境界と前記仮想切羽面との交点に仮想の開口端部を設定し、
   前記削孔線設定部は、前記仮想の開口端部と前記孔尻とを通るように前記発破用削孔線を設定し、
   前記開口端部設定部は、前記発破用削孔線と前記実切羽面との交点を前記開口端部の位置として設定する、請求項６に記載の発破用孔設定システム。

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