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曲線トンネルにおける穿孔パターン配向方法、岩盤掘削装置およびソフトウェア製品
説明

曲線トンネルにおける穿孔パターン配向方法、岩盤掘削装置およびソフトウェア製品

本発明は岩盤掘削装置の制御部において実行されるトンネル曲線計算における穿孔パターンの配向決定方法に関するものである。本発明はさらに、その方法を実現するソフトウェア製品および岩盤掘削装置に関するものである。掘削されるトンネルのトンネル径路(16)を、たとえばカーブフィッティングを用いて決定する。トンネル径路における掘削現場の位置を制御部(11)に伝達し、穿孔パターン(28)の誘導面(19)をトンネル径路上に配置する。円の開始点(30)をトンネル径路(16)に配置し、さらに円の長さ(L)を与える。さらに、円の終点(31)を開始点から円の長さに相当する距離に配置し、穿孔パターン(29)の座標系の座標軸の1つが開始点から終点を示すように穿孔パターンを配向する。最後に、異なる座標系を変換する。

【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【0001】
本発明は、穿孔パターンの方向を決定する方法に関するものである。さらに、本発明はソフトウェア製品および岩盤掘削装置に関するものである。本発明の分野は本願独立請求項の前段において詳細に記載されている。
【0002】
通常、トンネルは事前に決めたトンネル設計に従って掘削される。トンネル設計は、たとえばトンネル作業位置の計画座標系において掘削するトンネルのトンネル径路を決定する。さらに、トンネル設計はそれぞれの場合ごとに用いられる座標系を決定する。トンネルはいくつかの円で掘削されるので、穿孔パターンをそれぞれの円ごとに前もって事務的作業で設計し、穿孔パターンは、少なくとも、掘削する孔の番号、位置、方向および長さを決定するものである。穿孔パターンは、トンネル作業位置の計画座標系から独立したそれ自体の座標系を有する。掘削を行うためには、岩盤掘削装置の位置および方向をトンネル径路について決定し、さらに、新しい円について穿孔パターンを配向して、設計したトンネル径路に従ってトンネルが前進できるようにする必要がある。
【0003】
実際には、トンネル掘削が前進して、先行する円が掘削、装薬および爆破されると、破砕された岩石物を他の場所へ移し、この後、岩盤掘削装置をトンネル面へ動かして、誘導を行う。誘導において、岩盤掘削装置の方向を計画座標系にトンネルレーザによって関連づけ、次にその方向を計画座標系における2つの座標点によって決定しておき、これらの点をトンネルレーザの光線が通過する。トンネル径路における岩盤掘削装置の位置情報は操作者によって、たとえば、いわゆる杭番号を供給することによって提供してもよい。トンネル径路を計画座標系において決定し、局所的な位置座標系を掘削位置において用い、さらに、穿孔パターンはそれ自体の座標系を有するので、計画座標系および位置座標系は変換行列または同様の公知方法によって穿孔パターンの座標系に変換される。さらに、掘削すべきトンネルが湾曲し、すなわちトンネルレーザおよびトンネル径路が平行でない場合、トンネルレーザと穿孔パターンの交点、および孔の方向角を岩盤掘削装置の制御部においてそれぞれの円ごとに計算し、穿孔パターンに従って孔を掘削することができる。
【0004】
公知の曲線計算では、トンネル径路をカーブテーブルによって決定し、カーブテーブルは、互いに所定の間隔で配置される点およびその座標情報を含む。操作者は、トンネル径路における岩盤掘削装置の位置、すなわち実際にはトンネルの開始点からの距離を制御部に伝え、その後、最も掘削位置に近いカーブテーブルの点を選択し、局所座標系をこれらの点に配置して、それぞれの局所座標系のy軸がカーブテーブルの次の点に向くようにする。次に、トンネルレーザの交点およびカーブテーブルの各点に位置する局所座標系を計算する。さらに、トンネルレーザの交点の座標および掘削位置に位置する誘導面を、カーブテーブルの各点で算出した座標から補間することによって算出する。また、誘導面に後続する面の交点の座標も、同様の方法で補間することによって計算される。後に、トンネルレーザと誘導面との間のuおよびv孔方向角を交点の座標に基づいて計算してもよい。
【0005】
現状の曲線計算の不利な点は不十分な精度である。精度は、たとえばトンネルレーザがトンネル径路に対してなす角度の大きさに依存するとされていた。これは、角度値が大きいと数学的角度誤差を生じるからである。さらに、この計算方法がカーブテーブルの各点間の距離と関係していることで、精度が低下する。その上、この曲線計算は理解が容易でなく、そのためトンネル設計と穿孔パターン設計とが難しくなっている。
【発明の簡単な説明】
【0006】
本発明の目的は、新規の改良された曲線トンネルにおける穿孔パターン配向方法、この方法を実現するソフトウェア製品、および岩盤掘削装置を提供することである。
【0007】
本発明による方法は、掘削する円の長さを制御部に伝え、次に掘削する円の区間におけるトンネル径路の形状を決定し、そのトンネル径路上に穿孔パターンの開始点を配置し、開始点から始まり掘削する円の長さに相当する距離を決定するとともに、トンネル径路上の特定の位置に円の終点を配置し、穿孔パターンが開始点から終点を示すよう穿孔パターンを配向し、決定した穿孔パターンの配向を考慮して座標系変換を行って、掘削用穿孔パターンによる孔の座標および方向を計算することを特徴とする。
【0008】
本発明による岩盤掘削装置は、制御部に取り込まれたソフトウェア製品を実行すると、さらに以下の処理を行うように構成され、すなわち、掘削する次の円の区間においてトンネル径路の形状を決定し、トンネル径路上に穿孔パターンの開始点を配置し、開始点から始まって被掘削円の長さに相当する距離を決定し、トンネル径路上の特定の位置に円の終点を配置し、穿孔パターンが開始点から終点を示すように穿孔パターンを配向して、決定された穿孔パターンの配向を考慮して座標系変換を行って、掘削用穿孔パターンによる孔の座標および方向を計算することを特徴とする。
【0009】
本発明によるソフトウェア製品は、制御部においてソフトウェア製品を実行すると以下の処理を行うように構成され、すなわち、掘削する次の円の区間においてトンネル径路の形状を決定し、このトンネル径路上に穿孔パターンの開始点を配置し、この円の区間における円の長さおよびトンネル径路の形状の情報に応じて、掘削する円の終点を決定し、穿孔パターンが開始点から終点を示すように穿孔パターンを配向し、決定された穿孔パターンの配向を考慮して座標変換を行うことを特徴とする。
【0010】
さらに、本発明による第2の方法は、次に掘削する円の長さの情報に応じて円の区間におけるトンネル径路の形状を決定し、トンネル経路上に第2の座標系の原点を配置して、これを開始点として決定し、開始点から始まり掘削する円の長さに相当する距離を決定し、トンネル径路上の特定の位置に円の終点を配置し、第2の座標系の軸のうちの1つが開始点から終点を示すように第2の座標系を配向し、決定された第2の座標系の配向を考慮して第1の座標系から第2の座標系への座標系変換を行うことを特徴とする。
【0011】
本発明の基本的な概念は、岩盤掘削装置を掘削位置に誘導して、岩盤掘削装置の制御部にトンネル径路における岩盤掘削装置の位置、すなわち円の開始点を通知することである。次に、掘削する円の長さを制御部に伝達して、この掘削されるトンネルの曲率を、次に掘削する円の区間において決定する。次に、トンネル径路の円の長さに相当する距離を決定して、円の終点をトンネル径路上の特定の位置に配置する。さらに、穿孔パターンを円の長さに基づいて制御部にて配向し、穿孔パターンがトンネル径路上の円の開始点からトンネル径路上の円の終点を示すようにする。続いて、計画座標系から穿孔パターンの座標系への座標系変換を、たとえば変換行列を用いることで制御部にて実行する。
【0012】
本発明の利点は、掘削精度が改良されることである。さらに、円の長さは要望通り選択してよい。更なる利点は、トンネルレーザおよびトンネル径路の間の角度の可能な大きさが計算の精度に関係しないことである。また、本発明による方法は理解もより簡単であり、トンネル径路および穿孔パターンの設計者による曲線計算の能力を十分に活用することができる。また、岩盤掘削装置の操作者が本発明による曲線計算を採用することも容易である。
【0013】
実施例の概念は、局所的位置座標系を掘削位置に配置して、その軸のうちの1つが開始点から終点を示すようにし、穿孔パターンの向きを位置座標系に基づいて計算することである。
【0014】
実施例の概念は、穿孔パターンの座標系のy軸を開始点から終点へ向けることである。これに対応して、位置座標を用いる場合、そのy軸を掘削方向に向ける。このように、現場で一般に用いられる座標系配置を適用する。
【0015】
実施例の概念は、掘削する円のトンネル径路に沿って開始点から終点への距離を決定することである。
【0016】
実施例の概念は、可能な限り短い径路に沿って開始点から終点までの距離を決定することである。
【0017】
実施例の概念は、掘削位置の局所的位置座標系をys軸が掘削方向を示すように配置することである。曲線計算では、ys軸を開始点から終点を示すように配向する。これに基づいて、穿孔パターンの方向を計算する。
【0018】
実施例の概念は、トンネルレーザに基づいて誘導を行うことである。トンネルレーザは、計画座標系において決定した第1のレーザ点Aおよび第2のレーザ点Bの座標を測定される光線を発光する。岩盤掘削装置のドリルユニットを両側に設けてよく、この場合、誘導に際して、ドリルユニットを動かして、トンネルレーザの放射光線が両側を通過するようにする。これによって、岩盤掘削装置の方向を計画座標系の方向と関連づけることが可能となり、この情報に基づいて、必要な座標系間の変換が行われる。さらに、本発明によって円の開始点から円の長さおよびトンネル径路の形状によって決まる終点へ誘導面が配向されると、続いて、計画座標系から穿孔パターンの座標系への通常の座標変換を制御部にて実行し、トンネルレーザおよび誘導面の交点、ならびにトンネルレーザと誘導面との間の孔の方向角uおよびvを制御部で計算することができる。この情報に基づいて、岩盤掘削装置の制御部は掘削する孔の位置および方向を計算することが可能である。
【0019】
実施例の概念は、誘導をタキメータ測定に基づいて実行することである。そのような場合、トンネルレーザは必要ない。
【0020】
実施例の概念は、前もって設定されカーブテーブルにおいてトンネル径路を決定しておき、カーブテーブルは、形成すべきトンネル径路が通過する複数のカーブテーブル点を含むものである。カーブテーブル点のx、yおよびz座標は計画座標系において決定する。さらに、カーブテーブルの各点ごとに杭番号を割り当て、xy平面におけるトンネルの開始点などの基準点に対するトンネルの深さを記述する。制御部にはまた、昇順または降順のどちらの杭番号を用いるか、すなわち、誘導面から見ていずれの方向にトンネル径路を見るかを知らせるものとする。
【0021】
実施例の概念は、カーブテーブルを曲線計算で用い、掘削する円の中間点に最も近いカーブテーブ点を決定して、カーブテーブルのこの中間点に最も近い2つのカーブテーブル点を決定することである。次に、上記3つのカーブテーブル点を最も良く通過する記述子を有する曲線を制御部にて決定することによって、トンネルの曲率を被掘削円にて近似する。さらに、穿孔パターン、すなわち実際には誘導面を掘削位置に配向して、円の長さを考慮に入れながら、穿孔パターンにおける座標系のy軸が、近似された曲線上に存在する円の終点を示すようにする。
【0022】
実施例の概念は、互いに異なる距離で離隔したカーブテーブルにおいて各点を決定することである。そのような場合、たとえば、カーブテーブルの各点の間の距離は、トンネル径路の曲線部が直線部になり、または逆になる区間では他の区間と比較して短くなるように決める。さらに、曲線トンネルにおいて曲率半径が変化すると、カーブテーブルの点がより密な間隔をとるように決定してもよい。これにより計算精度を改良することができる。
【0023】
実施例の概念は、カーブテーブル点を用いることに代えて、数学方程式としてトンネルの中心線を表現することによってトンネル径路を決定することである。トンネル径路を表す数学関数は、あらかじめ事務的作業にてトンネル設計プログラムを使用することで設定してよい。トンネル径路を記述する連続数学関数は、たとえば、円の円弧方程式であってもよい。この適用により、とくに急な曲線を掘削する場合に、精度を改良することができる。
【0024】
実施例の概念は、操作者が掘削現場の位置を制御部のインタフェースを通じて供給することである。提供された情報に基づいて、制御部は誘導面および円の開始点をトンネル径路上に配置する。
【0025】
実施例の概念は、掘削現場の位置を測定して、測定情報が制御部に伝達されることである。制御部は誘導面および円の開始点をトンネル径路上の測定された位置に配置する。測定は、たとえばタキメータまたは他の適切な測定器によって行うことができる。
【0026】
実施例の概念は、操作者が円の長さを制御部のユーザインタフェースに供給することである。
【0027】
実施例の概念は、円の長さを穿孔パターンにおいて決定し、穿孔パターンを制御部に取り込みながら、既にこれを考慮するようにすることである。
【0028】
実施例の概念は、穿孔パターンを所定の傾斜角度の大きさだけ傾斜させることである。トンネル径路の傾斜角度は、たとえばカーブテーブルにおいて各点ごとに別々に決定することができる。傾斜角が零とは異なる場合、穿孔パターンの座標系は、yd軸に平行な直線を中心として決定した傾斜角の大きさだけ傾斜させ、これによって、穿孔パターンのyd軸は円の終点を示したまま、穿孔パターンのxd軸およびzd軸の方向は傾斜角の大きさによって変化することになる。傾斜角の影響は座標系の変換行列において考慮されている。
【0029】
実施例の概念は、回転中心をあらかじめ決定して、位置座標に対する穿孔パターンの座標系の位置を決めることである。回転中心の座標は掘削位置の座標系および穿孔パターンの座標系において決定される。
【0030】
実施例の概念は、トンネル径路に対する傾斜角を決定し、さらに、位置座標系に対する穿孔パターンの座標系の位置を回転中心によって決定することである。そのような場合、穿孔パターンの座標系は、回転中心を通り穿孔パターンの座標系のy軸と平行な直線を中心として傾斜する。
【0031】
実施例の概念は、穿孔パターンの配向に関連する実質的にすべての処理を岩盤掘削装置の制御部にて実行することである。
【0032】
実施例の概念は、穿孔パターンの配向に関連する処理のうち少なくとも1つを岩盤掘削装置の外部の1以上の制御部にて実行することである。そのような場合、穿孔パターンの配向に関連する情報は、岩盤掘削装置の制御部と、たとえば採掘坑の操作室に配置された制御部との間の情報通信接続を介して伝達される。
【0033】
実施例の概念は、トンネル設計もしくは穿孔パターンの提供に用いられる設計コンピュータまたは同様の制御装置によって穿孔パターンの配向を行うことである。これにより、設計者が掘削計画等を必要に応じてシミュレートすることができる。
【0034】
実施例の概念は、穿孔パターンを配向するため、メモリスティック、メモリディスク、ハードディスク、情報ネットワークサーバ等の記憶装置または記憶手段からソフトウェア製品を掘削装置の制御部へ取り込み、このソフトウェア製品を制御部にて実行すれば、本願に記載の処理を実行することである。
【図面の簡単な説明】
【0035】
本発明のいくつかの実施例を添付図面で、より詳細に記載する。
【図1】は掘削するトンネル面に配置された岩盤掘削装置を示す概略的な側面図であり、
【図2】は、xy平面で見た曲線トンネル、これに関連して用いられる座標系および掘削位置における岩盤掘削装置の誘導配置を概略的に示す図であり、
【図3】は、xy平面で見た、誘導面上に位置する開始点からトンネル径路上に位置する円の終点へ穿孔パターンを配向する本発明による解決策を概略的に示す図であり、
【図4】は、計画座標系から掘削現場の位置座標系へ、さらには穿孔パターンの座標系への変換、および所定の回転中心に対する穿孔パターンの座標系の変換と傾斜とを概略的に示す図であり、
【図5】は3つのカーブテーブル点に基づいて曲線トンネル径路を近似する方法をxy平面で見て概略的に示す図であり、
【図6】は杭番号、点座標および傾斜を決定するカーブテーブルを示す図であり、
【図7】は、円の長さに従って配向された誘導面が設けられた、図6によるカーブテーブルのxy平面で見たトンネル径路を示す図であり、
【図8】は図6によるカーブテーブルのトンネル径路を三次元的に示す図であり、カーブテーブルにおいて決定された傾斜を誘導面を示す横線の位置から見ることができる。 明確化を図るため、図は本発明のいくつかの実施例を簡略的に示す。各図において、同様の参照符号は同様の要素を表す。
【発明のいくつかの実施例の詳細な説明】
【0036】
図1に示される岩盤掘削装置1は、1つ以上のドリルブーム3を備える移動可能な台車2を含む。ドリルブーム3は1つ以上のブーム部分3a、3bから成り、それらは関節部4によって台車2と互いに係合でき、ブーム3は様々な方向に多様に移動することができる。さらに、それぞれのドリルブーム3の自由端にはドリルユニット5が備えられ、それは給送ビーム6、給送装置7、削岩機8、および外端部にドリルビット9aが備えられたツール9を含む。削岩機8は給送装置7によって給送ビーム6に対して移動することができ、掘削中、岩10に向けてツール9を給送することができる。削岩機8は、ツール9に応力波を送るための打撃装置、さらにツール9のほぼ長手軸を中心としてツール9を回転させるための回転装置を含んでよい。岩盤掘削装置1はさらに、掘削を制御するための1つ以上の制御装置を含んでよい。制御装置11は、実行すると本発明による方法を実現するソフトウェア製品を実行する1つ以上の処理部、プログラム可能な論理回路または同様の装置を含んでよい。さらに、制御装置11は、少なくとも掘削される孔12の位置および方向を決定する穿孔パターンを備えることができる。制御装置11はさらに、岩盤掘削装置1の掘削プラットフォームまたは操作室13に配置された表示装置を含む。表示装置によって、掘削および位置決めに必要な情報を操作者に表示することができ、操作者は表示装置のユーザインタフェースを通じて制御部11に命令を与えたり、情報を供給したりすることができる。制御部11は、ドリルブーム3、給送装置7を動かす各アクチュエータ、およびドリルユニット5の位置に影響を与える他のアクチュエータに命令を与えることができる。さらに、1つ以上のセンサ14をドリルブーム3の関節部4に関連して設けてもよく、また1つ以上のセンサ15をドリルユニット5に関連して設けてもよい。センサ14、15から得られた測定情報は制御部11に伝達され、制御部11は、測定情報に基づいて制御用にドリルユニット5の位置および方向を決定することができる。さらに、制御部11の処理部には計算部が設けられ、これは、座標系変換行列ならびに、たとえばドリルユニットの誘導および配置に必要な計算を実行することができる。図1では、制御部11は、穿孔パターンによる孔の位置および方向を計算して、必要な座標系変換を行った後、掘削される孔12にドリルユニット5を配置している。
【0037】
図2は曲線トンネル径路16を示し、これは、カーブテーブルの点17によって、または他の方法、たとえば数学方程式によって決定することができる。カーブテーブルを用いる場合、トンネル径路16は各点17を通る。トンネルを設計するとき、点17の座標、杭番号18および傾斜は、以下の図6に見られるようなカーブテーブルによって決定することができる。カーブテーブルの各点17は互いに所定の間隔をおいてトンネル径路16に沿って配置されて、各点17ごとに自身の杭番号18が設けられている。したがって杭番号18は、ある位置におけるトンネルの深さを示し、これは基準点から開始する。杭番号18はトンネルの開始点から始めて、たとえばメートル単位で与えることができる。岩盤掘削装置1の操作者は杭番号18を制御部11に伝達して、制御部はトンネル掘削がどれほど進んだか認識することができる。杭番号18によれば、xz方向における誘導面19の位置をトンネル径路16に沿って決定できる。さらに、制御部11は、杭番号が昇順であるか降順であるかが分かれば、誘導面19から見てトンネル径路16の向かう方向を認識することができる。穿孔パターン28は誘導面19に配置される。曲線計算の精度は、たとえばカーブテーブルの各点17の間の距離によって影響される。したがって曲線計算の精度は、所望の位置においてカーブテーブルの各点17の間隔をより密にすることで改善でき、これは、本発明による解決策では、必ずしもカーブテーブルの各点17を互いに等しい距離で離隔させる必要がないためである。カーブテーブルは、たとえばトンネルのなだらかな曲線区間16aが直線区間16cになる位置16bにおいて、およびその逆に、すなわちトンネルの曲率半径rが急激に変化する位置において、より密に離隔した点17を設けてもよい。
【0038】
トンネルの中心線上に配置された3つの点を選択してそれらが同一直線上にない場合、トンネルは曲がっていることに注意すべきである。曲線計算の前に、制御部11で実行されるソフトウェア製品で、トンネル区間が直線区間16cか曲線区間16a、16bかを検査することができる。トンネル区間が曲線区間であれば、本願に記載された解決策を活用することができる。直線区間については、補間を用いてもよい。
【0039】
図2において、岩盤掘削装置1は誘導のためにトンネル面21へ移動している。誘導のために、岩盤掘削装置1の1つのドリルユニット5は2つの照準器22aおよび22bを備えてもよく、この場合、ドリルユニット5を掘削位置において動かして、あらかじめ向けておいたトンネルレーザ23の光線24が照準器を通過するようにする。トンネル設計において座標系を第1の点Aおよび第2の点Bに対して決定しておき、各点はトンネルレーザ23の方向を決定する。トンネルレーザによって放射された光線が照準器を通過できる位置に岩盤掘削装置のドリルユニットを配置しておくと、制御部11は、トンネルレーザ23の方向を決定してある計画座標系25に対する岩盤掘削装置1の方向を決定することができる。さらに、操作者はトンネル径路上に誘導面19の位置を与え、または誘導面19の位置を測定することができる。この情報に基づいて座標系変換を実行することができる。
【0040】
図2はさらに、トンネル掘削で使用される座標系を示す。座標系、および国際岩盤掘削データ交換規格(IREDES)において定義される座標系の相互関係を本願に適用することができる。計画座標系25において、トンネル径路16ならびにレーザポイントAおよびBは、xp、ypおよびzp座標によって定義される。さらに、xs、ysおよびzs軸を伴う局所的な「位置座標系」26を掘削位置で用いて、そのys軸が掘削方向を示すようにする。図2はさらに、制御部11の表示装置27における穿孔パターン28を示し、穿孔パターン28は、そのxd、ydおよびzd軸とともに自身の座標系29を備える。
【0041】
図3はxy面で見た穿孔パターン28の配向状態を示す。位置座標系26のys軸は、誘導面19に位置する開始点30からトンネル径路16に位置する円の終点31を示すよう配向される。位置座標系の配向状態に基づいて、曲線計算によって必要な変換計算を行って、掘削用穿孔パターン28を配向する。配向するために、操作者は、制御部11のユーザインタフェースを通じて、掘削する円の長さLを入力するか、または、長さLを他のやり方、たとえば穿孔パターン28において指示する。終点31の位置は、トンネル径路16の曲率および円の長さLに基づいて決定する。トンネル径路16の形状は、いわゆるカーブフィッティングによって、すなわちカーブテーブルの各点17を通るよう曲線を配置することによって近似され、または、トンネル径路16の形状はすでにトンネル径路16の様々な区間に対する数学関数として与えられている。例として、図3は線32aおよび32bを示し、その間にある曲線トンネル径路は、連続した数学関数、たとえばある半径を有する円の円弧方程式として決定してもよい。そのような場合、制御部11は、トンネル径路16がどこに向かうのかを認識して、トンネル径路16に沿って定義されるように、開始点から円の長さLに相当する距離で次に掘削する円の終点31を配置することができる。次に位置座標系26は、制御部11においてys軸が開始点30から終点31を指すように配向される。穿孔パターンの座標系29の新しい方向を計算して座標系が配向されると、誘導面19の方向も同じく変化する。図4は曲線計算およびそれに関連する変換に使用される座標系を表す。これらの変換に用いられる座標系および変換行列は、ここで引用により記載する国際岩盤掘削データ交換規格(IREDES)において定義される。岩盤掘削装置の制御部において実行される曲線計算は異なる座標系間の従属関係を計算する。曲線計算は計画座標系25から位置座標系26への、さらには穿孔パターンの座標系29への変換行列を計算する。さらに、トンネルレーザ23によって誘導を行う場合、曲線計算によりトンネルレーザと穿孔パターン28の交点、およびその間の方向角を計算する。しかしながら、ある場合は誘導を異なる方法で行ってもよい。そのような場合でも、誘導結果を考慮してさまざまな座標系を変換する。
【0042】
図4は回転中心33と称するものの原理を示す。回転中心33は、位置座標系26に対する穿孔パターンの座標系29の位置を決める。回転中心33の座標は、掘削現場の位置座標系26および穿孔パターンの座標系29の両方において決める。回転中心33および傾斜角Gによって、xz面において位置座標系26から穿孔パターンの座標系29への変換34を行い、これによって図4に示す座標軸xd、ydおよびzdによる座標系を与える。傾斜角Gをトンネル径路16に対して決定すると、穿孔パターンの座標系29は、回転中心33を通って穿孔パターンの座標系のyd軸に平行な直線を中心として位相35が傾斜する。この傾斜に関係なく回転中心33の座標は位置座標系26および穿孔パターンの座標系29において一定である。図4は傾斜35を示し、これによってx3、y3およびz3で定義される座標系は、軸x4、y4およびz4で定義される座標系へ反時計回りに傾斜角Gの大きさだけ回転する。最終結果は穿孔パターンの座標系29であり、これは制御部11において回転中心33に対して修正されている。
【0043】
図5はカーブフィッティングと称する方法を用いたトンネル径路16の形状の近似を表す。上記のように、トンネル径路16はカーブテーブルにおいて決定することができる。掘削する円には長さLが与えられる。さらに、開始点の位置すなわち杭番号が与えられ、それにより円の中央36に最も近いカーブテーブルの点17a、ならびにカーブテーブルのこの中間点17aに最も近い2点17bおよび17cを決定することができる。次に、トンネル径路16の曲率は、制御部11において、最も良くカーブテーブルの上記3点17a、17b、17cを通る記述子を有する曲線を決定することによって近似される。典型的には、曲線は、状況に応じた半径rを有する円弧である。制御部11には、適用可能な様々な曲線方程式のデータファイルを設けることができる。さらに、穿孔パターン28は掘削位置にて配向され、すなわち実際には、円の長さLを考慮して、穿孔パターンの座標系のyd軸が近似曲線上にある円の終点31を指すように誘導面19を配置する。
【0044】
図6はカーブテーブル37を示し、列Aがメートル単位で点の杭番号を決定し、列Bがメートル単位で点の座標を決定し、列Cがメートル単位で点のy座標を決定し、列Dがメートル単位で点のz座標を決定し、列Eが傾斜角を度で決定する。個々の回転中心の座標はカーブテーブル固有の定数であるから、別の列で示す必要はない。
【0045】
傾斜角Gにより穿孔パターンの座標系をy軸と平行な直線を中心に傾けることができる。たとえ傾斜角が零であったとしても、依然として穿孔パターンの座標系をx軸と平行な直線を中心に傾斜することができる。そのような場合、トンネルは上り坂または下り坂を有する。x軸に平行な直線を中心とする傾斜はカーブテーブルの各点間の高さの違いに基づいて決定される。
【0046】
図7は、図6によるカーブテーブル37のトンネル径路をxy面で見た状態で示し、これは円の長さに従って配向された誘導面を備えている。図7において、トンネル径路16上のアスタリスクはカーブテーブルの点17を表し、円38は開始点および終点を表し、さらにトンネル径路を横切る横断線19は誘導面を表す。同様に、図8は図6によるカーブテーブル37のトンネル径路16を三次元で示し、これにより誘導面を表す横断線19の位置からカーブテーブルにおいて決定された傾斜Gを見ることもできる。
【0047】
また、図6に示されたカーブテーブル37と異なり、点17はz方向において座標を与えてもよい。これによりトンネル径路16は、z軸の投影および杭番号、すなわち高度曲線として見ることができる。次に掘削する円における高度曲線の曲率は、xy投影について上述したのと同様の方法で近似でき、さらに、穿孔パターンの座標系29の配向は上述と同様の方法で行うことができる。
【0048】
図1はさらに、外部制御部40を示し、これは、穿孔パターンの配向に関連した1つ以上の処理、たとえば座標系変換または他のデータ処理に関連した演算を行うことができる。配向に関連する実質的にすべての処理は、そのような制御部40において実行され、制御装置40は、たとえば操作室42に配備してよく、完成した穿孔パターン配向情報を岩盤掘削装置の制御部11に伝達する。情報は制御部11および40の間でデータ通信接続を通じて伝達することができ、データ通信接続は無線であることもある。
【0049】
さらに、y軸に代えて穿孔パターンにおいて位置座標系の別の軸を向けることや、他方、y軸以外の穿孔パターンの軸を開始点から終点に向けることが可能であることに注意する。その場合、座標系およびそれらの座標軸のネーミングの問題である。さらに、位置座標系を全く使用しない可能性もある。その場合、計画座標系および穿孔パターンの座標系は位置座標系を介する計算なく直接変換される。また、座標系は上記とは異なる名称を付けてもよい。
【0050】
さらに、穿孔パターンによって誘導面を決定しない可能性もあり、そのようにする目的は、本発明の概念を活用することで穿孔パターンの座標系を配向できるようにすることだけである。
【0051】
ある場合には、本願に記載された特徴を他の特徴に関係なく用いることができる。他方、必要に応じて、本発明に記載された各特徴を組み合わせることで様々な組合せを提供することもできる。
【0052】
図面および関連する記載は本発明の概念の説明を企図しているにすぎない。その詳細において、本発明は特許請求の範囲内において変形することができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
掘削されるトンネルのトンネル工事位置の計画座標系において決定されるトンネル径路(16)を制御部(11、40)に取り込み、
少なくとも穿孔パターンの誘導面(19)および座標系(29)を決定する穿孔パターン(28)を前記制御部(11、40)に取り込み、
該制御部(11、40)に対して掘削位置を決定し、該掘削位置に局所座標系(26、29)を配置して該局所座標系の軸のうち1つが掘削方向を示すようにし、
前記掘削位置に前記穿孔パターンの誘導面(19)を配置し、
前記掘削位置に岩盤掘削装置(1)を配置して、誘導によって前記座標系を互いに関連づけ、
前記計画座標系(25)から前記穿孔パターンの座標系(29)へ必要な座標系変換を行う穿孔パターン配向決定方法において、該方法は、
掘削する円の長さ(L)を前記制御部(11、40)に伝達し、
掘削される次の円の区間において前記トンネル径路(16)の形状を決定し、
該トンネル径路(16)に前記穿孔パターン(28)の開始点(30)を配置し、
該開始点(30)から始まり前記掘削する円の長さ(L)に相当する距離を決定し、前記トンネル径路(16)の特定の位置に前記円の終点(31)を配置し、
前記穿孔パターン(28)を該穿孔パターンが前記開始点(30)から前記終点(31)を示すように配向し、
前記穿孔パターン(28)の決定された向きを考慮して、座標系変換を行い、該掘削用穿孔パターン(28)による孔の座標系および方向を計算することを特徴とする穿孔パターン配向決定方法。
【請求項2】
請求項1に記載の方法において、該方法は、
前記掘削位置に局所的位置座標系(26)を配置して、その軸のうちの1つが前記開始点(30)から前記終点(31)を示すようにし、前記位置座標系(26)に基づいて前記穿孔パターン(28)の向きを計算することを特徴とする方法。
【請求項3】
請求項1または2に記載の方法において、該方法は、
前記掘削する円のトンネル径路(16)に沿って前記開始点(30)から前記終点(31)までの距離を決定することを特徴とする方法。
【請求項4】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記トンネル径路(16)が通過する複数の点(17)を含むカーブテーブル(37)によって前記トンネル径路(16)を決定し、
前記カーブテーブルの複数の点(17)に対して前記計画座標系(25)における少なくともx、y、z座標を設定し、各点ごとに、xy面で見て基準点に対する該点(17)での前記トンネルの深さを記述した自身の杭番号を決定し、
前記掘削する円の中央(36)に最も近い前記カーブテーブルの点(17a)を決定し、該カーブテーブルのこの中間点(17a)に最も近い該カーブテーブルの2点(17b、17c)を決定し、
前記制御部(11、40)において前記カーブテーブルの前記3点を最も良く通る記述子を有する曲線方程式を決定することによって前記掘削する円における前記トンネルの曲率を近似し、
前記トンネル径路の曲率を近似する曲線上で前記円の開始点(30)から前記トンネル径路に沿って定義される前記円の長さ(L)に相当する距離に該円の終点(31)を配置し、
前記制御部(11、40)において、前記穿孔パターン(28)が前記円の開始点から終点(31)へ向かうように該穿孔パターンを配向することを特徴とする方法。
【請求項5】
請求項1ないし3のいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記トンネル径路(16)の曲率を少なくとも1つの数学関数としてあらかじめ決定し、
前記トンネル径路(16)を記述する数学関数を前記制御部(11、40)に伝達し、
該制御部(11、40)において、前記穿孔パターン(28)の座標系(29)の軸の1つが、前記数学関数によって定義されたトンネル径路(16)上で前記円の開始点(30)から該円の長さに相当する距離(L)にある該円の終点(31)の方向を示すように該穿孔パターン(28)を配向する4ことを特徴とする方法。
【請求項6】
前記請求項のうちいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記計画座標系(25)においてトンネルレーザ(23)を決定し、
該トンネルレーザ(23)によって前記掘削位置で前記岩盤掘削装置(1)を誘導し、
前記制御部(11、40)において座標系変換を行い、前記トンネルレーザ(23)および前記誘導面(19)の交点、ならびに該誘導面(19)に対する前記トンネルレーザ(23)の方向角を決定することを特徴とする方法。
【請求項7】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、
ユーザインタフェースを通じて操作者によって前記制御部(11)に前記トンネル径路(16)における前記掘削位置の位置を入力し、
前記誘導面(19)および前記円の開始点(30)を、前記操作者の指示した前記トンネル径路(16)上の位置に配置することを特徴とする方法。
【請求項8】
請求項1ないし6のいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記掘削位置の位置を測定し、測定情報を前記制御部(11、40)に伝達し、
前記誘導面(19)および前記円の開始点(30)を前記トンネル径路(16)上の前記測定された位置に配置することを特徴とする方法。
【請求項9】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記操作者によって前記ユーザインタフェースを通じて前記円の長さ(L)を前記制御部(11、40)に入力することを特徴とする方法。
【請求項10】
請求項1ないし8のいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記穿孔パターン(28)における前記円の長さ(L)を決定するとともに、それを考慮して前記穿孔パターンを前記制御部(11、40)に取り込むことを特徴とする方法。
【請求項11】
前記請求項のうちいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記計画座標系(25)における前記トンネル径路(16)に対する傾斜角(G)を決定し、
前記穿孔パターンのyd軸に対して平行な直線を中心に前記決定された前記傾斜角(G)の大きさだけ該穿孔パターンの座標系(29)を傾斜させて、該穿孔パターンのyd軸が前記円の終点(31)を示したまま、前記穿孔パターンのxd軸およびzd軸の方向が前記傾斜角(G)の大きさだけ変化するようにし、
座標系変換に際して、前記穿孔パターン(28)の影響を考慮することを特徴とする方法。
【請求項12】
前記請求項のうちいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記掘削位置の位置座標系(26)および前記穿孔パターンの座標系(29)において回転中心(33)をその座標とともに決定し、
該回転中心(33)によって前記位置座標系(26)に対する前記穿孔パターンの座標系(29)の位置を決定し、
座標系変換に際して、前記回転中心(33)の影響を考慮することを特徴とする方法。
【請求項13】
請求項1ないし10のいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記計画座標系(25)における前記トンネル径路(16)に対する傾斜角(G)を決定し、
前記掘削位置の位置座標系(26)および前記穿孔パターンの座標系(29)において前記回転中心(33)をその座標とともに決定し、
該回転中心(33)を通り、かつ前記穿孔パターンの座標系のyd軸と平行である直線を中心として決定される傾斜角(G)の大きさだけ前記穿孔パターンの座標系(29)を傾斜させることを特徴とする方法。
【請求項14】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記岩盤掘削装置の前記制御部(11)において前記穿孔パターンの配向に関連する処理を行うことを特徴とする方法。
【請求項15】
請求項1ないし13のいずれかに記載の方法において、該方法は、
前記穿孔パターンの配向に関連する少なくとも1つの処理を前記岩盤掘削装置(1)の外部における少なくとも1つの前記制御部(40)で実行し、
データ通信接続(41)を通じて前記制御部(11、40)間で前記穿孔パターンの配向に関連する情報を伝達することを特徴とする方法。
【請求項16】
請求項1ないし13のいずれかに記載の方法において、該方法は、
トンネル設計コンピュータにおいて前記穿孔パターンの配向に関連する処理を実行することを特徴とする方法。
【請求項17】
移動可能な台車(2)と、
少なくとも1つのドリルブーム(3)および少なくとも1つのドリルユニット(5)とを含み、該少なくとも1つのドリルユニットは、前記ドリルブーム(3)に配置された給送ビーム(6)、該給送ビーム(6)に対して給送装置(7)によって移動可能な削岩機(8)、および該削岩機(8)に接続可能なツール(9)とを含み、
前記ドリルユニット(5)の位置および方向を判定する少なくとも1つのセンサ(14、15)と、
曲線計算プログラムを実行可能な少なくとも1つの制御部(11)とを含み、該プログラムを実行すると、以下の処理を行うよう構成され、すなわち
掘削するトンネルのトンネル工事位置の計画座標系(25)において決定されるトンネル径路(16)を前記制御部(11)に取り込み、
少なくとも穿孔パターンの誘導面(19)および座標系(29)を決定する穿孔パターン(28)を前記制御部(11)に取り込み、
該制御部(11)に対して掘削位置を決定し、該掘削位置に局所座標系(26、29)を配置して該局所座標系の軸うちの1つが掘削方向を示すようにし、
前記掘削位置において前記穿孔パターン(28)の誘導面(19)を配置し、
該掘削位置における岩盤掘削装置(1)の配置を考慮して、誘導によって座標系を互いに接続し、
前記計画座標系(25)から前記穿孔パターンの座標系(29)への必要な座標系変換を行う岩盤掘削装置において、
前記制御部(11)に取り込まれたソフトウェア製品を実行すると、以下の処理をさらに行い、すなわち
次に掘削する円の区間において前記トンネル径路(16)の形状を決定し、
該トンネル径路(16)上に前記穿孔パターン(28)の開始点(30)を配置し、
該開始点(30)から始まり前記掘削する円の長さ(L)に相当する距離を決定し、前記トンネル径路(16)上の特定の位置に該円の終点(31)を配置し、
前記穿孔パターン(28)が前記開始点(30)から前記終点(31)を示すように該穿孔パターンを配向し、
前記穿孔パターン(28)の前記決定された配向を考慮して座標系変換を行って、前記掘削用穿孔パターンに従って孔(12)の座標および方向を計算することを特徴とする岩盤掘削装置。
【請求項18】
制御部において岩盤掘削装置の穿孔パターンの方向を決定するソフトウェア製品において、
前記制御部(11、40)において該ソフトウェア製品を実行すると、以下の処理を行うよう構成され、すなわち
掘削される次の円の区間においてトンネル径路(16)の形状を決定し、
該トンネル径路(16)上に穿孔パターン(28)の開始点(30)を配置し、
前記トンネル径路(16)上で掘削する円の区間における該円の長さ(L)および前記トンネル径路(16)の形状の情報に応じて、該円の終点(31)を決定し、
前記穿孔パターン(28)が前記開始点(30)から前記終点(31)を示すように該穿孔パターンを配向し、
前記穿孔パターン(28)の決定された配向を考慮して座標系変換を行うことを特徴とするソフトウェア製品。
【請求項19】
掘削されるトンネルの第1の座標系(25)において決定されるトンネル径路(16)を少なくとも1つの制御部(11、40)に取り込み、
該制御部(11、40)において、第2の座標系の軸の1つが掘削方向を示すように第2の座標系を掘削位置に配置し、
座標系(25;26、29)を互いに接続するトンネル座標系の配向決定方法において、該方法は、
次に掘削する円の区間において該円の長さ(L)の情報に応じてトンネル径路(16)の形状を決定し、
該トンネル径路(16)上に第2の座標系の原点を配置して、該原点を開始点(30)として決定し、
該開始点(30)から始まり前記掘削する円の長さ(L)に相当する距離を決定し、前記トンネル径路(16)上の特定の位置に前記円の終点(31)を配置し、
第2の座標系(26、29)をその軸の1つが前記開始点(30)から前記終点(31)を示すように配向し、
第2の座標系(26、29)の前記決定された配向を考慮して第1の座標系(25)から第2の座標系(26、29)への座標変換を行うことを特徴とするトンネル座標系の配向決定方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公表番号】特表2010−525193(P2010−525193A)
【公表日】平成22年7月22日(2010.7.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−503538(P2010−503538)
【出願日】平成20年4月18日(2008.4.18)
【国際出願番号】PCT/FI2008/050204
【国際公開番号】WO2008/129128
【国際公開日】平成20年10月30日(2008.10.30)
【出願人】(506286478)サンドビク マイニング アンド コンストラクション オサケ ユキチュア (70)
【氏名又は名称原語表記】SANDVIK MINING AND CONSTRUCTION OY
【Fターム(参考)】