JP2889181B2 - トンネル内の換気システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル工事、地
下工事などにおける、現場の空調、温度、湿度などの環
境の保全を目的とした、トンネル換気の自動制御装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、トンネル工事などの現場では、
作業環境を維持するために換気ファンなどが用いられ
る。しかし、従来の換気ファンでは、風量などの制御が
できないため、必要換気風量の最大値の風量を設定し
て、常時、一定風量運転を行なっていた。そして、長時
間にわたって工事作業が停止する場合などにのみ、手動
で換気ファンを停止するなどしていた。

【０００３】近年では、可変羽角度ファンや可変回転数
ファンなど大幅かつ微妙に風量を制御できる換気風量制
御ファンが出現し、換気風量制御方式が提案されてい
る。すなわちシーケンス運転では、あらかじめ予測設定
された、作業進行と、作業毎の必要風量とによって、換
気ファンの回転数を制御する。

【０００４】また、フィードバック制御運転では、トン
ネル内の１箇所あるいは数箇所において作業環境を定点
測定した結果に基づいて、換気ファンの回転数を制御す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、必要換
気風量は、工事作業の種類、規模、位置などによって大
きく異なる。したがって、風量を制御できない換気ファ
ンの場合では、必要換気風量の最大値で年間一定風量運
転を行なうと、結果として必要以上の換気を行なうこと
になる場合も多い。特に大規模地下発電所や長大トンネ
ルなど換気風量の大きい場合には、余分な換気量が大き
くなることがあり非経済的である。

【０００６】また、換気風量制御ファンを用いた場合で
も、現場における作業内容が多岐にわたり、作業環境の
変化が激しいため、作業環境の総合的な測定に基づいた
自動制御方法は確立されていない。すなわち、シーケン
ス運転は、作業予定に基づいて予め決定された運転方法
であるため、予定外の作業を行なう場合や、トンネル内
のガス量や粉塵量の変化が生じた場合には対応できな
い。したがって、換気量が不足して、作業環境が目標値
を達成できない場合がある。

【０００７】また、定点測定した結果に基づくフィード
バック制御運転では、作業環境を正確に把握することが
困難であった。すなわち、作業環境に与える影響の大き
いトンネル切羽の位置が工事進捗に伴って変化するのに
対して、定点測定位置の変更は容易にはできないため、
トンネル切羽の位置と定点測定位置が離れた場合では、
換気風量が過少となり作業環境が悪化する場合があっ
た。

【０００８】また、Ｃ０濃度、Ｃ０２濃度、Ｎ０ｘ濃
度、ＣＨ４濃度、粉塵濃度、湿温度、視程など多種類の
測定センサーを、トンネルのような断面積の小さい現場
内の各所に設置するのは実際上困難であり、作業環境の
総合的な測定に基づいた制御はできなかった。

【０００９】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、トンネル工事、地
下工事などの現場作業環境の総合的な測定に基づいて、
作業環境を良好に保つように換気ファンの風量を自動制
御することのできる、トンネル内の換気システムを提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】 前述した目的を達成す
るために本発明は、環境デ−タを測定する第１の測定手
段と、トンネル内の位置デ−タを測定する第２の測定手
段を搭載し、トンネル内を移動する移動体と、測定され
たトンネル内全域にわたる環境デ−タと位置デ−タを総
合的に解析処理し、トンネル内の換気量を制御する制御
手段と、を具備することを特徴とするトンネル内の換気
システムである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の形態について詳細に説明する。図１は、換気シス
テム１の概略構成図である。換気システム１は、例えば
１，０００ｍ以下の比較的短いトンネル３の工事現場に
設けられる。換気装置としては、坑口５付近にファン７
を設け、ファン７から切羽９付近までの間に風管１１を
設ける。１３は、ファン７の換気風量を制御するモータ
（可変回転数）である。

【００１２】次に、換気風量を制御するための、移動体
による環境測定データの取得方法について説明する。ト
ンネル３内で作業を行なうブルドーザーなどの重機１７
の屋根上などには環境測定センサ１９などの測定器類と
無線送信機２１とが搭載される。また、ダンプトラック
やトラックミキサー車などの車輛２３の屋根上にも環境
測定センサ２５などの測定器類と無線送信機２７とが搭
載される。なお、測定器類と無線送信機とを搭載する移
動体は、１つでも複数でもよい。

【００１３】また、トンネル３内の適当な位置に無線受
信機２９を設け、無線送信機２１、２７からの坑内無線
（テレメータ）を受信する。無線受信機２９に信号ケー
ブルを介してコンピュータ３１を接続し、コンピュータ
３１に信号ケーブルを介して前述のモータ１３を接続す
る。コンピュータ３１は、制御専用機でもパーソナルコ
ンピュータでもよい。

【００１４】次に、各移動体に搭載される装置の１例に
ついて詳細に説明する。図２は車輛２３に積載された装
置類を示す概略構成図である。移動する車輛２３には、
環境測定センサ２５、走行センサ３５、３次元ジャイロ
３７、ＡＤ変換器３９、無線送信機２７が設けられる。

【００１５】車輛２３に積載された装置類について簡単
に説明する。環境測定センサ２５は、粉塵濃度、各種ガ
ス濃度、温度、湿度、光透過率、風速などの一部または
全部を測定する。ガス濃度としては、例えばＣ０濃度、
Ｃ０２濃度、Ｎ０ｘ濃度、ＣＨ４濃度などが測定され
る。

【００１６】環境測定センサ１９、２５は、トンネル３
の断面の中心付近に当たる重機１７あるいは車輛２３の
屋根上などに取り付けられる。したがって、環境測定セ
ンサ１９、２５による測定データは、トンネル断面の代
表値とみなすことができる。

【００１７】走行センサ３５は車軸回転センサなどで、
車輛２３の走行距離を常時測定する。３次元ジャイロ３
７では、車輛２３の向きが常時測定される。

【００１８】次に、本実施の形態の処理について、図３
のフローチャートを用いて簡単に説明する。まず、重機
１７および車輛２３は、トンネル３内を各作業の必要に
応じて走行あるいは停止し、環境測定センサ１９、２５
は、ガス濃度などのデータを、例えば２秒間隔で測定す
る（ステップ５０１）。

【００１９】環境測定センサ２５、走行センサ３５、３
次元ジャイロ３７で測定されたデータは、必要に応じて
ＡＤ変換器３９によりアナログ信号からデジタル信号に
変換される。デジタル信号は、無線送信機２１、２７に
より発信され、無線受信機２９によって受信される（ス
テップ５０２）。

【００２０】無線受信機２９で受信されたデータはコン
ピュータ３１に伝えられる。コンピュータ３１では、測
定時刻データ、環境測定データ、測定位置データを元に
したトンネル３内の空気環境についての総合的な解析処
理と、解析処理結果に基づく適切な換気風量の計算とが
行なわれる。コンピュータ３１の計算結果に基づいて、
モータ１３の回転数が制御され（ステップ５０３）、そ
れによりファン７の風量が制御される（ステップ５０
４）。

【００２１】例えば、コンピュータ３１は、切羽９近傍
の粉塵濃度が許容上限値を越える状態になったと判定さ
れた場合には、モータ１３の回転数を増加させて、ファ
ン７の換気風量を増加させる。また、コンピュータ３１
は、切羽９近傍の粉塵濃度が許容下限値より低くなった
と判定された場合には、モータ１３の回転数を減少させ
て、ファン７の換気風量を低下させる。

【００２２】次に、ステップ５０５でファンの回転数の
制御を終了するか否かを判定する。通常は、工事終了な
どにより制御を中止しない限り、ステップ５０１からス
テップ５０４までの一連の動作は工事期間中、継続して
行なわれる。

【００２３】ここで、取得されたデータの処理解析方法
について説明する。各測定値は無線受信機２９で受信さ
れ、コンピュータ３１に自動入力され解析される。コン
ピュータ３１では、まず、測定時刻データ、環境測定デ
ータ、測定位置データを把握する。測定時刻データは、
コンピュータ３１側で測定することにより、無線送信さ
れるデータ量を少なくすることができる。

【００２４】コンピュータ３１は、各環境測定データの
得られた時刻毎に測定位置を把握する。走行センサ３５
は、基準位置からの車輛２３の走行距離を測定する。３
次元ジャイロ３７は、車輛２３の移動方向を測定する。
したがって、環境測定センサ２５の位置は３次元座標上
で把握されるが、測定誤差の累積が生じるため、あらか
じめ実測された複数の基準点の測量座標をコンピュータ
３１に入力しておき、必要に応じて補正を行なう。

【００２５】測定時刻データ、環境測定データ、測定位
置データは、コンピュータ３１により総合的に解析さ
れ、トンネル３内の環境が総合的かつ経時的に把握され
る。例えば、２秒間隔で環境を測定する場合、車輛２３
が作業坑内制限速度である２０ｋｍ／ｈで走行すると、
トンネル３内の全体について約１０ｍ間隔で環境測定デ
ータが得られることになる。

【００２６】また、トンネル３が約１，０００ｍであれ
ば、車輛２３は約３分で通過するため、車輛２３が往復
運転により掘削物を排出するダンプトラックであれば、
トンネル３内の各部分の環境測定データは、数分間隔で
モニターされることになる。したがって、モータ９の回
転数が常に適切に制御され、ファン７の風量が制御され
る。

【００２７】環境測定間隔が短いため、急激な作業環境
の変化や有毒ガスの突然の噴出などに十分に対応できる
ように、ファン７の換気風量をコントロールすることが
できる。

【００２８】また、環境測定センサを搭載した重機や車
輛の台数を増加させると、より細かい間隔で、トンネル
３内の作業環境を把握することができる。

【００２９】以上、詳細に説明したように、本実施の形
態によれば、トンネル３の全範囲について多項目かつ細
かい時間感覚で作業環境を総合的に測定し、作業環境を
良好に保つように換気用のファン７の風量を自動制御す
ることができる。

【００３０】すなわち、 （ａ）環境測定センサ１９、２５などを、切羽９付近の
重機１７や、トンネル３内を車輛２３に積載することに
より、センサ類の設置や移設の作業の必要がなく、常に
切羽９周辺の環境測定データを得ることができる。

【００３１】（ｂ）坑内無線（テレメータ）を利用する
ため、信号ケーブルの設置や移動の必要がない。

【００３２】（ｃ）重機１７、車輛２３が、本来の作業
のために移動あるいは停止している間に常に環境測定を
行なうため、トンネル３の内部について、広範囲な環境
測定データを得ることができる。

【００３３】（ｄ）環境測定センサ１９、２５は、重機
１７や車輛２３に積載されるため、多種類の項目につい
ての測定が同時に可能となる。

【００３４】（ｅ）換気効率はトンネルによっても異な
るため、各現場で環境測定データ、換気風量、環境改善
状況データの関係を解析し、コンピュータ３１に蓄積す
ることによって、より効率的に換気風量を調節すること
ができる。

【００３５】（ｆ）また、環境測定センサ２５、走行セ
ンサ３５、３次元ジャイロ３７、ＡＤ変換器３９、無線
送信機２７などを備えた車輛２３は、換気システム１と
同様のシステムを備えた他のトンネル工事現場にも、そ
のまま利用することができる。

【００３６】（ｇ）すでに工事が開始しているトンネル
についても、換気風管は元のものを利用し、ファン、モ
ータ、コンピュータ、無線受信機のみを取り付け、車輛
２３を用意するだけで、簡単に換気システム１と同様の
システムを実現することができる。

【００３７】なお、本実施の形態においては、移動体は
ブルトーザーなどの重機１７またはダンプカーなどの車
輛２３として説明したが、移動体は、シールド機、搬送
車、その他のいかなるものであってもいい。また、セン
サ類を、作業員の被るヘルメットに装着したり、背負
子、バックなどの形態に収めて作業員が運搬してもよ
い。

【００３８】次に、他の実施の形態について説明する。
図４は、長大トンネル５３における換気システム５１の
概略構成図である。換気システム５１は、例えば１，０
００ｍ以上の長大トンネル５３の工事現場に設けられ
る。５５は坑口、５７は切羽であり、この間が長いた
め、長大トンネル５３の中間付近の地点に給気ファン５
９を設け、給気ファン５９から切羽５７付近まで給気風
管６１を設ける。６３は給気を示す。

【００３９】また、例えば給気ファン５９より切羽５７
側に排気ファン６５を設け、排気ファン６５から坑口５
５付近まで排気風管６７を設ける。６９は排気を示す。

【００４０】長大トンネル５３内で作業を行なう重機７
１には環境測定センサ７３などの測定器類と無線送信機
７５とが搭載される。また、車輛７９にも環境測定セン
サ８１などの測定器類と無線送信機８３とが搭載され
る。

【００４１】また、給気ファン５９および排気ファン６
５の付近などの適当な位置に、無線受信機７７を設け、
無線受信機７７にコンピュータ８７を接続する。長大ト
ンネル５３内で確実に無線を受信するため、長大トンネ
ル５３の適当な位置に単数または複数の無線中継基地８
５を設置する。

【００４２】コンピュータ８７は、環境解析結果を元
に、給気ファン５９の回転を制御する給気モータ８９
と、排気ファン６５の回転を制御する排気モータ９１と
の運転を制御する。

【００４３】したがって、この実施の形態によれば、長
大トンネル５３においても、無線システムを用いた換気
システム５１を設置することができる。

【００４４】なお、図４の例では、給気ファン５９と排
気ファン６５とは１機づつ設けられているが、トンネル
の形状および長さなどの条件により、複数設けてもよ
い。

【００４５】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、地下工事、トンネル工事などの現場作業環境の
総合的な測定に基づいて、作業環境を良好に保つように
換気ファンの風量を自動制御することのできる、トンネ
ル内の換気システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 換気システム１の概略構成図

【図２】 車輛２３に積載された装置類を示す概略構成
図

【図３】 本実施の形態の処理を示すフローチャート

【図４】 長大トンネル５３における換気システム５１
の概略構成図

【符号の説明】

１………換気システム ３………トンネル ５………坑口 ７………ファン ９………切羽 １１………風管 １３………モータ（可変回転数） １５………給気 １７………重機 １９………環境測定センサ ２１………無線送信機 ２３………車輛 ２５………環境測定センサ ２７………無線送信機 ２９………無線受信機 ３１………コンピュータ ３３………車輪 ３５………走行センサ ３７………３次元ジャイロ ３９………ＡＤ変換器 ５１………換気システム ５３………長大トンネル ５９………給気ファン ６１………給気風管 ６５………排気ファン ６７………排気風管 ８５………無線中継基地 ８９………給気モータ ９１………排気モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 苅込 正則 東京都調布市飛田給二丁目19番１号 鹿 島建設株式会社 技術研究所内 (56)参考文献 特開 平８−42299（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21F 1/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 環境デ−タを測定する第１の測定手段
   と、トンネル内の位置デ−タを測定する第２の測定手段
   を搭載し、トンネル内を移動する移動体と、 測定されたトンネル内全域にわたる環境デ−タと位置デ
   −タを総合的に解析処理し、トンネル内の換気量を制御
   する制御手段と、 を具備することを特徴とするトンネル内の換気システ
   ム。
2. 【請求項２】 時刻を測定する第３の測定手段を更に具
   備し、前記制御手段は、前記環境デ−タと前記位置デ−
   タと前記時刻とを総合的に解析処理し、トンネル内の換
   気量を制御することを特徴とする請求項１記載のトンネ
   ル内の換気システム。
3. 【請求項３】 前記移動体はトンネル内の全域を移動す
   ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のトンネ
   ル内の換気システム。