JP7303767B2

JP7303767B2 - 構造物施工装置および構造物施工方法

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Publication number: JP7303767B2
Application number: JP2020042811A
Authority: JP
Inventors: 英明佐藤; 孝仁坂西
Original assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2023-07-05
Anticipated expiration: 2040-03-12
Also published as: JP2021142702A

Description

本発明は、セメント系材料と芯材系材料を積層して積層構造物を構築する構造物施工装置および構造物施工方法に関する。

セメント系材料と樹脂系材料とを吐出する吐出ノズルと、吐出ノズルを移動させる移動装置と、を備えた積層構造物の構築装置が知られている（特許文献１）。この構築装置では、圧縮材の内部に引張材を有する造形物の一単位を積層することで積層構造物が造形されていた。

特開２０１９－１１２８８４号公報

上記した構築装置のように、一単位の造形物を積層して積層構造物を構築した場合、材料の凝固状態や積層した造形物同士の位置ずれ等によって、積層造形物が一体にならず、積層構造物に継目ができてしまう虞もあった。つまり、上記した構築装置では、連続した積層構造物を適正に構築することができない虞があった。

本発明は、上記課題を解決するために、連続した積層構造物を適正に構築することができる構造物施工装置および構造物施工方法を提供する。

本発明は、セメント系材料と芯材系材料を積層して積層構造物を構築する構造物施工装置であって、主走査方向に移動する移動部と、前記移動部に搭載され、前記セメント系材料を吐出して第１耐圧力層を造形する第１セメント系ヘッドと、前記移動部に搭載され、前記第１セメント系ヘッドによって造形された前記第１耐圧力層の前記主走査方向の上流側で前記芯材系材料を吐出して前記第１耐圧力層に重ねるように耐張力層を造形する芯材系ヘッドと、前記移動部に搭載され、前記芯材系ヘッドによって造形された前記耐張力層の前記主走査方向の上流側で前記セメント系材料を吐出して前記第１耐圧力層との間に前記耐張力層を挟むように第２耐圧力層を造形する第２セメント系ヘッドと、前記移動部を前記主走査方向に移動させながら前記第１セメント系ヘッド、前記芯材系ヘッドおよび前記第２セメント系ヘッドを吐出制御し、前記第１耐圧力層、前記耐張力層および前記第２耐圧力層を前記主走査方向に連続して造形させる制御部と、を備えた。

この場合、前記移動部は、前記主走査方向に移動すると共に前記主走査方向に直交する副走査方向に移動し、前記制御部は、前記移動部を前記副走査方向に移動させながら前記第１セメント系ヘッド、前記芯材系ヘッドおよび前記第２セメント系ヘッドを吐出制御し、前記第１耐圧力層、前記耐張力層および前記第２耐圧力層を前記前記副走査方向に連続して造形させてもよい。

また、この場合、前記移動部と前記第１セメント系ヘッドとを連結し、前記第１セメント系ヘッドを移動可能に支持する第１セメント系アーム部と、前記移動部と前記芯材系ヘッドとを連結し、前記芯材系ヘッドを移動可能に支持する芯材系アーム部と、前記移動部と前記第２セメント系ヘッドとを連結し、前記第２セメント系ヘッドを移動可能に支持する第２セメント系アーム部と、を更に備え、前記制御部は、前記第１セメント系アーム部、前記芯材系アーム部および前記第２セメント系アーム部の移動を更に制御してもよい。

本発明は、セメント系材料と芯材系材料を積層して積層構造物を構築する構造物施工方法であって、主走査方向に移動可能な移動部に搭載された第１セメント系ヘッドから前記セメント系材料を吐出して第１耐圧力層を造形する第１耐圧力層形成工程と、前記移動部に搭載された芯材系ヘッドから前記第１セメント系ヘッドによって造形された前記第１耐圧力層の前記主走査方向の上流側で前記芯材系材料を吐出して前記第１耐圧力層に重ねるように耐張力層を造形する耐張力層形成工程と、前記移動部に搭載された第２セメント系ヘッドから前記芯材系ヘッドによって造形された前記耐張力層の前記主走査方向の上流側で前記セメント系材料を吐出して前記第１耐圧力層との間に前記耐張力層を挟むように第２耐圧力層を造形する第２耐圧力層形成工程と、を備え、前記第１耐圧力層形成工程、前記耐張力層形成工程および前記第２耐圧力層形成工程が前記移動部を前記主走査方向に移動させながら行われることで、前記第１耐圧力層、前記耐張力層および前記第２耐圧力層が前記主走査方向に連続して造形される。

この場合、前記移動部は、前記主走査方向に移動すると共に前記主走査方向に直交する副走査方向に移動し、前記第１耐圧力層形成工程、前記耐張力層形成工程および前記第２耐圧力層形成工程が前記移動部を前記副走査方向に移動させながら行われることで、前記第１耐圧力層、前記耐張力層および前記第２耐圧力層が前記副走査方向に連続して造形されてもよい。

また、この場合、前記第１耐圧力層形成工程、前記耐張力層形成工程および前記第２耐圧力層形成工程は並行して行われてもよい。

本発明によれば、連続した積層構造物を適正に構築することができる。

本発明の一実施形態に係る構造物施工装置を用いてフェイススラブを構築するコンクリート表面遮水壁型ロックフィルダムの概略を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る構造物施工装置を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る構造物施工装置および堤体の一部を示す側面図である。本発明の一実施形態に係る構造物施工装置を示す側面図である。本発明の一実施形態に係る構造物施工装置および堤体の一部を示す平面図である。本発明の一実施形態に係る構造物施工方法を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る構造物施工装置および耐張力層の他の例を示す平面図である。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。なお、本明細書では方向や位置を示す用語を用いるが、それらの用語は説明の便宜のために用いるものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本実施形態に係る構造物施工装置１は、セメント系材料と芯材系材料を積層して積層構造物を構築する。本実施形態では、構造物施工装置１が、積層構造物の一例として、コンクリート表面遮水壁型ロックフィルダム９０のフェイススラブ９３を構築する場合について説明する。

［コンクリート表面遮水壁型ロックフィルダム］
まず、図１を参照して、コンクリート表面遮水壁型ロックフィルダム９０について簡単に説明する。図１はコンクリート表面遮水壁型ロックフィルダム９０の概略を示す断面図である。なお、以下の説明では、コンクリート表面遮水壁型ロックフィルダム９０を「ＣＦＲＤ９０（ＣｏｎｃｒｅｔｅＦａｃｅＲｏｃｋｆｉｌｌＤａｍ）」と呼ぶ。また、本実施形態の説明では、斜面に沿った方向を主走査方向とし、主走査方向に直交した水平方向を副走査方向とする。

ＣＦＲＤ９０は、岩石や土砂等のロック材を積み上げて建設されるダムである。積み上げられたロック材は、略台形状断面の堤体９１を構成する。堤体９１の上流側斜面には構造物施工装置１によってコンクリートが打設され、積層構造物の一例としてのフェイススラブ９３が構築される。なお、堤体９１の軸心部に粘土等の遮水性材料から成るコア（図示せず）が構築されてもよい。

［構造物施工装置］
次に、図２ないし図５を参照して、構造物施工装置１について説明する。図２は構造物施工装置１を示すブロック図である。図３は構造物施工装置１および堤体９１の一部を示す側面図である。図４は構造物施工装置１を示す側面図である。図５は構造物施工装置１および堤体９１の一部を示す平面図である。

図２に示すように、構造物施工装置１は、移動部２と、プリント部３と、制御部４と、を備えている。移動部２は、堤体９１の上流側斜面に設置され（図３参照）、主走査方向に移動すると共に副走査方向に移動する。プリント部３は、移動部２に搭載され（図３参照）、３Ｄプリンタ技術でフェイススラブ９３を積層造形する。制御部４は、移動部２およびプリント部３を制御する。

＜移動部＞
図４に示すように、移動部２は、主走査台車１０と、副走査台車１１と、を有している。主走査台車１０は主走査方向に移動し、副走査台車１１は副走査方向に移動する。

（主走査台車）
図４および図５に示すように、主走査台車１０は、堤体９１を副走査方向に横断するように副走査方向に長く形成されている。主走査台車１０は、硬化したフェイススラブ９３上を主走査方向に走行するための複数の車輪１０Ａを有している。堤体９１の天端９２には複数の駆動ウィンチ１２（図２参照）が配置されており、主走査台車１０には駆動ウィンチ１２から巻き出されたワイヤロープ（図示せず）の先端が接続されている。駆動ウィンチ１２がワイヤロープを巻き取ることで、主走査台車１０は堤体９１の上流側斜面に沿って上昇する。なお、本実施形態では、主走査台車１０が、駆動ウィンチ１２によって上昇していたが、車輪１０Ａを回転駆動させて自走させてもよし、堤体９１に敷設されたラックレールに噛み合うピニオンを回転駆動させて自走させてもよい（図示せず）。

（副走査台車）
副走査台車１１は、主走査台車１０に対して副走査方向に移動可能に搭載されている。具体的には、主走査台車１０の上面は略水平に形成されており、主走査台車１０の上面には副走査方向に延びた一対のレール１３が敷設されている。副走査台車１１は、一対のレール１３に沿って走行するための複数の車輪１１Ａを有している。副走査台車１１には、車輪１１Ａを回転駆動させるための駆動モーター１４が搭載されている。駆動モーター１４が駆動することで、副走査台車１１はレール１３に沿って副走査方向に往復移動する。なお、本実施形態では、副走査台車１１が、車輪１１Ａを回転駆動させることで移動していたが、ウィンチによって引っ張ることで移動させてもよいし、主走査台車１０に敷設されたラックレールに噛み合うピニオンを回転駆動させて自走させてもよい（図示せず）。

＜プリント部＞
図４および図５に示すように、プリント部３は、移動部２の副走査台車１１に搭載されている。プリント部３は、セメント系造形部２０と、芯材系造形部３０と、を有している。セメント系造形部２０はコンクリートの層を積層造形し、芯材系造形部３０は鉄筋に相当する層を積層造形する。

＜セメント系造形部＞
図４および図５に示すように、セメント系造形部２０は、第１セメント系ヘッド２１と、第２セメント系ヘッド２２と、第１セメント系アーム部２３と、第２セメント系アーム部２４と、コンプレッサー２５と、を有している。

（第１セメント系ヘッド、第２セメント系ヘッド）
第１セメント系ヘッド２１および第２セメント系ヘッド２２は、それぞれ、セメント系材料を吐出するための第１および第２ノズル２１Ａ，２２Ａを有している。セメント系材料は、例えば、セメント、骨材（砂、砂利等）、水および混和剤を混合したコンクリートである。コンクリートは、第１および第２ノズル２１Ａ，２２Ａから吐出可能な流動性と、造形した層上に積層可能に自立するチキソトロピー性と、積層可能になる強度まで硬化する速硬性と、を有する配合となっている。詳細は後述するが、第１セメント系ヘッド２１はコンクリートを吐出して第１耐圧力層Ｌ１を造形し、第２セメント系ヘッド２２はコンクリートを吐出して第２耐圧力層Ｌ３を造形する。第１および第２耐圧力層Ｌ１，Ｌ３は、コンクリートから成る層である。

（第１セメント系アーム部、第２セメント系アーム部）
第１セメント系アーム部２３および第２セメント系アーム部２４は、それぞれ、多関節のロボットアームであって、移動部２（副走査台車１１）と第１および第２セメント系ヘッド２１，２２とを連結している。第１および第２セメント系アーム部２３，２４は、前後・左右・上下に第１および第２セメント系ヘッド２１，２２を移動可能に支持している。具体的には、第１および第２セメント系アーム部２３，２４の基端部は、副走査台車１１の下流側の側面に対し軸周りに回動可能かつ前後・左右・上下に揺動可能に連結されている。第１セメント系アーム部２３の先端部には、第１ノズル２１Ａを下方に向けた姿勢（堤体９１の上流側斜面に対向させた姿勢）で第１セメント系ヘッド２１が支持されている。これと同様に、第２セメント系アーム部２４の先端部には、第２ノズル２２Ａを下方に向けた姿勢で第２セメント系ヘッド２２が支持されている。また、第１セメント系アーム部２３は、第２セメント系アーム部２４よりも長く形成されており、第１セメント系ヘッド２１を第２セメント系ヘッド２２よりも主走査方向の下流側に位置させることができる。

＜コンプレッサー＞
コンプレッサー２５は、コンクリートを第１および第２セメント系ヘッド２１，２２に圧送する装置である。コンプレッサー２５には、第１および第２パイプ２１Ｂ，２２Ｂを介して第１および第２セメント系ヘッド２１，２２が連通している。堤体９１の副走査方向の端部において主走査台車１０に並ぶ位置には、コンプレッサー２５に向けてコンクリートを圧送するコンクリートポンプ２６が配置されている（図５参照）。コンクリートポンプ２６は、主走査台車１０と同様に主走査方向に移動可能に設けられている。なお、コンクリートポンプ２６は、主走査台車１０に搭載して主走査台車１０と一体に移動する構成としてもよい。

図３および図５に示すように、コンクリートは、堤体９１の天端９２に配置されたミキサー車２７からシュート２８を介してコンクリートポンプ２６に供給され、コンクリートポンプ２６からコンプレッサー２５に送られる。シュート２８は、例えば、鋼製で半円筒状に形成され、堤体９１の副走査方向の端部に沿って設けられている。コンクリートは、コンプレッサー２５から第１および第２セメント系ヘッド２１，２２に圧送され、第１および第２ノズル２１Ａ，２２Ａから吐出される。

＜芯材系造形部＞
図４および図５に示すように、芯材系造形部３０は、芯材系ヘッド３１と、芯材系アーム部３２と、インクタンク３３と、を有している。

（芯材系ヘッド）
芯材系ヘッド３１は、例えば、ピエゾ方式によって芯材系材料を吐出するための複数の吐出ノズル３１Ａを有している。複数の吐出ノズル３１Ａは、堤体９１の上流側斜面に対向するノズルプレート３１Ｂに穿設されている。芯材系材料は、例えば、鉄製の微粒子を含む金属インク（液体）である。芯材系ヘッド３１には金属インクを加熱するためのヒーター（図示せず）が取り付けられている。詳細は後述するが、芯材系ヘッド３１は、金属インクを吐出して耐張力層Ｌ２を造形する。耐張力層Ｌ２は、吐出された金属インクの液滴に含まれる複数の金属粒子が融合・硬化して構成される。

（芯材系アーム部）
芯材系アーム部３２は、第１および第２セメント系アーム部２３，２４と同様に、多関節のロボットアームであって、移動部２（副走査台車１１）と芯材系ヘッド３１とを連結している。芯材系アーム部３２は、前後・左右・上下に芯材系ヘッド３１を移動可能に支持している。また、芯材系アーム部３２は、第１セメント系アーム部２３よりも短く、且つ第２セメント系アーム部２４よりも長く形成されている。芯材系アーム部３２は、芯材系ヘッド３１を第１セメント系ヘッド２１よりも主走査方向の上流側かつ第２セメント系ヘッド２２よりも主走査方向の下流側に位置させることができる。

（インクタンク）
インクタンク３３（図４参照）は、金属インクを貯留するための容器である。インクタンク３３は、チューブ（図示せず）を介して芯材系ヘッド３１に連通している。また、インクタンク３３にはコンプレッサー２５が連通しており、コンプレッサー２５によって金属インクは芯材系ヘッド３１に圧送される。

＜制御部＞
制御部４は、移動部２の副走査台車１１に搭載されている（図４参照）。なお、制御部４は、主走査台車１０に搭載されてもよいし、プリント部３に搭載されてもよい。

図２に示すように、制御部４は、演算処理部４０と、記憶部４１と、通信部４２と、を有している。演算処理部４０、記憶部４１および通信部４２は互いに電気的に接続されている。

演算処理部４０は、記憶部４１に格納されたプログラムに従って演算処理を実行する。記憶部４１は半導体記憶装置や磁気記憶装置等を含み、記憶部４１にはプログラムやデータが記憶（格納）される。通信部４２は、構造物施工装置１から離れて設置された遠隔操作機器５との間で信号の送受信を無線で行う。なお、制御部４には、データや演算結果等を表示する表示部（液晶ディスプレイ等）や制御部４に指示を入力する操作部（キーボードやマウス等）が設けられてもよい。また、通信部４２は、遠隔操作機器５との間で信号の送受信を有線で行ってもよい。

制御部４は、移動部２の駆動ウィンチ１２や駆動モーター１４に電気的に接続されている。また、制御部４は、プリント部３の各機器に電気的に接続されている。制御部４は、移動部２を主走査方向または副走査方向に移動させながら第１および第２セメント系ヘッド２１，２２、芯材系ヘッド３１を吐出制御する。また、制御部４は、第１および第２セメント系アーム部２３，２４および芯材系アーム部３２の移動を制御する。

なお、構造物施工装置１には、計測部６が設けられている。計測部６は、移動部２に設けられ、主走査台車１０や副走査台車１１の移動量を検出するセンサー（例えば、エンコーダー、レーザー距離計、レーザースキャナー等）と、プリント部３に設けられ、各ヘッド２１，２２，３１からの各材料の吐出量や出来高の状態（厚さ、平滑さ等）を検出するセンサー（例えば、カメラ、レーザースキャナー等）と、を含んでいる。制御部４は、計測部６からの出力に基づいて当該移動量や当該吐出量をフィードバック制御する。なお、計測部６（各種センサー）は、移動部２やプリント部３に搭載されていなくてもよく、移動部２やプリント部３の外部（堤体９１）に設けられてもよい。

［構造物施工方法］
次に、図４ないし図６を参照して、フェイススラブ９３を構築する構造物施工方法について説明する。図６は構造物施工方法を示すフローチャートである。

図４および図５に示すように、フェイススラブ９３は、第１耐圧力層Ｌ１、耐張力層Ｌ２および第２耐圧力層Ｌ３を積層することで構築される。第１耐圧力層Ｌ１、耐張力層Ｌ２および第２耐圧力層Ｌ３は、それぞれ、コンピュータ上で３次元モデリングされ、その３次元モデリングデータは薄層に分けられた複数の積層データ（２次元データ）に加工されている。複数の積層データは、制御部４の記憶部４１に記憶されている。なお、複数の積層データは、遠隔操作機器５の記憶装置に記憶され、適時、遠隔操作機器５から制御部４に送信されてもよい。

フェイススラブ９３は、堤体９１の下部から天端９２に向かって構築される。構造物施工方法は、構造物施工装置１を連続的に移動させながら実行され、継目の無い連続したフェイススラブ９３を構築する。なお、堤体９１の最下端には、構造物施工装置１によってコンクリートを打設できないため、予めスタータースラブ９４が構築されている（図１参照）。構造物施工方法の開始前（初期状態）では、構造物施工装置１（主走査台車１０）はスタータースラブ９４上に設置され、副走査台車１１は副走査方向の一端に位置しているものとする。

作業員は、遠隔操作機器５を操作し、遠隔操作機器５から構造物施工装置１の制御部４に自動運転を実行するための制御信号を送信させる。制御部４は、制御信号を受信すると、記憶部４１に記憶された積層データに基づいてフェイススラブ９３の構築処理を実行（開始）する。

まず、制御部４は、第１セメント系アーム部２３を移動させ、第１耐圧力層Ｌ１の造形開始点に第１セメント系ヘッド２１を配置し、第１セメント系ヘッド２１（第１ノズル２１Ａ）からコンクリートを吐出させて第１耐圧力層Ｌ１の造形を開始する（図６に示す第１耐圧力層形成工程Ｓ１）。第１耐圧力層形成工程Ｓ１では、第１セメント系ヘッド２１が、第１セメント系アーム部２３の可動範囲内で移動されながらコンクリートを吐出する。第１ノズル２１Ａから吐出された液滴は堤体９１の上流側斜面に着弾し（吹き付けられ）、第１セメント系アーム部２３の可動範囲内に第１耐圧力層Ｌ１が造形される。

また、制御部４は、芯材系アーム部３２を移動させ、耐張力層Ｌ２の造形開始点に芯材系ヘッド３１を配置し、芯材系ヘッド３１（吐出ノズル３１Ａ）から金属インクを吐出させて第１耐圧力層Ｌ１に重ねるように耐張力層Ｌ２の造形を開始する（図６に示す耐張力層形成工程Ｓ２）。耐張力層形成工程Ｓ２では、芯材系ヘッド３１が、芯材系アーム部３２の可動範囲内で移動されながら金属インクを吐出する。芯材系アーム部３２は第１セメント系アーム部２３よりも短いため、芯材系ヘッド３１は、第１セメント系ヘッド２１によって造形された第１耐圧力層Ｌ１の主走査方向の上流側で金属インクを吐出する（図４、図５参照）。各吐出ノズル３１Ａから吐出された液滴は第１耐圧力層Ｌ１に着弾し、耐張力層Ｌ２は第１耐圧力層Ｌ１に積層される。耐張力層Ｌ２は、主走査方向に延びた複数の主筋Ｌ２１と副走査方向に延びた複数の配力筋Ｌ２２とを有し、格子状に形成される（図５参照）。なお、耐張力層Ｌ２を第１耐圧力層Ｌ１に積層するために、初期段階では、耐張力層形成工程Ｓ２は第１耐圧力層形成工程Ｓ１よりも遅れて実行される。

さらに、制御部４は、第２セメント系アーム部２４を移動させ、第２耐圧力層Ｌ３の造形開始点に第２セメント系ヘッド２２を配置し、第２セメント系ヘッド２２（第２ノズル２２Ａ）からコンクリートを吐出させて第１耐圧力層Ｌ１との間に耐張力層Ｌ２を挟むように第２耐圧力層Ｌ３の造形を開始する（図６に示す第２耐圧力層形成工程Ｓ３）。第２耐圧力層形成工程Ｓ３では、第２セメント系ヘッド２２が、第２セメント系アーム部２４の可動範囲内で移動されながらコンクリートを吐出する。第２セメント系アーム部２４は芯材系アーム部３２よりも短いため、第２セメント系ヘッド２２は、芯材系ヘッド３１によって造形された耐張力層Ｌ２の主走査方向の上流側でコンクリートを吐出する（図４、図５参照）。第２ノズル２２Ａから吐出された液滴は耐張力層Ｌ２に着弾し（吹き付けられ）、第２耐圧力層Ｌ３は耐張力層Ｌ２に積層される。これにより、第２セメント系アーム部２４の可動範囲内に第２耐圧力層Ｌ３が造形される。なお、第２耐圧力層Ｌ３を耐張力層Ｌ２に積層するために、初期段階では、第２耐圧力層形成工程Ｓ３は耐張力層形成工程Ｓ２よりも遅れて実行される。

また、制御部４は、第１耐圧力層Ｌ１の造形開始と同時期に、駆動モーター１４を駆動させて副走査台車１１を副走査方向の一方から他方に向けて走行させ始める。第１耐圧力層形成工程Ｓ１、耐張力層形成工程Ｓ２および第２耐圧力層形成工程Ｓ３では、副走査台車１１が副走査方向の他端に到達するまで移動を継続する。なお、副走査台車１１の副走査方向への移動速度は、例えば１０～２０ｍ／ｈ程度であるが、これに限らず、各層Ｌ１～Ｌ３の造形速度に応じて自由に設定してもよい。

副走査台車１１が副走査方向の他端に到達すると、制御部４は、駆動モーター１４を停止させ、駆動ウィンチ１２を駆動させて主走査台車１０を主走査方向の下流（上方）に移動させる。第１耐圧力層形成工程Ｓ１、耐張力層形成工程Ｓ２および第２耐圧力層形成工程Ｓ３では、主走査台車１０を引き上げている間も各ヘッド２１，２２，３１からの材料の吐出等（各層Ｌ１～Ｌ３の造形）を継続する。主走査台車１０の引き上げ量（所定量）は、例えば数ｃｍ～数十ｃｍ程度であって、主走査台車１０の車輪１０Ａが十分に硬化していないフェイススラブ９３に載らないように配慮して設定される。

主走査台車１０が所定量だけ引き上げられると、制御部４は、駆動ウィンチ１２を停止させ、フェイススラブ９３（各層Ｌ１～Ｌ３）が天端９２に隣接するまで構築されていないことを確認し（図６に示すＳ４でＮＯ）、再び駆動モーター１４を駆動させて副走査台車１１を副走査方向の他方から一方に向けて走行させる。つまり、上記した３つの工程Ｓ１～Ｓ３が継続して実行される。なお、フェイススラブ９３が天端９２まで構築されたか否かを判定している間も各層Ｌ１～Ｌ３の造形は継続される。

これ以降、構造物施工装置１は、フェイススラブ９３が天端９２に達するまで、各ヘッド２１，２２，３１から各材料を吐出しながら、副走査方向への移動と主走査方向の下流への移動とを交互に繰り返すように制御される。つまり、構造物施工装置１は、堤体９１の上流側斜面をジグザグに移動を継続しながら各層Ｌ１～Ｌ３を造形する。なお、３つのアーム部２３，２４，３２は、副走査台車１１の移動方向に応じて、３つのヘッド２１，２２，３１の位置（順番）を適宜変更する。

フェイススラブ９３（各層Ｌ１～Ｌ３）が天端９２に隣接するまで構築されると（図６に示すＳ４でＹＥＳ）、制御部４は、フェイススラブ９３の構築処理を停止（終了）させる。フェイススラブ９３の構築処理では、初期段階を除いて、第１耐圧力層形成工程Ｓ１、耐張力層形成工程Ｓ２および第２耐圧力層形成工程Ｓ３は（同時期に）並行して行われる。このため、継目の無いフェイススラブ９３が形成される。

以上説明した本実施形態に係る構造物施工装置１（構造物施工方法）では、芯材系ヘッド３１が第１耐圧力層Ｌ１の主走査方向の上流側で金属インクを吐出し、第２セメント系ヘッド２２が耐張力層Ｌ２の主走査方向の上流側でコンクリートを吐出する構成とした。また、第１耐圧力層形成工程Ｓ１、耐張力層形成工程Ｓ２および第２耐圧力層形成工程Ｓ３が移動部２を主走査方向に移動させながら行われることで、第１耐圧力層Ｌ１、耐張力層Ｌ２および第２耐圧力層Ｌ３が主走査方向に連続して造形されていた。さらに、各工程Ｓ１～Ｓ３が移動部２を副走査方向に移動させながら行われることで、各層Ｌ１～Ｌ３が副走査方向に連続して造形されていた。この構成によれば、第１耐圧力層Ｌ１と第２耐圧力層Ｌ３の間に耐張力層Ｌ２が挟み込まれたフェイススラブ９３を主走査方向および副走査方向に連続的に形成することができる。これにより、継目の無い連続したフェイススラブ９３を適正に構築することができる。

一般的に、ＣＦＲＤ９０のフェイススラブ９３は、スリップフォーム工法で構築されることが多い。スリップフォーム工法では、型枠を設けた成型機を主走査方向に移動させながら型枠にコンクリートを打設するため、型枠が必須であり、型枠の製造にコストが生じていた。また、スリップフォーム工法では、コンクリートを打設する前に、堤体９１の上流側斜面から浮かせた状態で鉄筋（耐張力層Ｌ２）を配置しなければならなかった。このため、鉄筋の配置現場とは別の場所（工場等）で鉄筋を製造しなければならず、予め製造した鉄筋を運搬したり配置したりするために多大な労力を必要としていた。これに対し、本実施形態に係る構造物施工装置１（構造物施工方法）によれば、型枠を用いることなくコンクリートを打設することができるため、型枠に生じるコストを削減することができる。また、鉄筋に相当する耐張力層Ｌ２を第１および第２耐圧力層Ｌ１，Ｌ３と同時期に造形することができるため、別の場所で製造した耐張力層Ｌ２の運搬や配置にかかる労力を省くことができる。さらに、従来、コンクリート打設後にバイブレータによる締め固め作業が必要であったが、本実施形態に係る構造物施工装置１（構造物施工方法）によれば、バイブレータによる締め固め作業を不要とすることができる。なお、構造物施工装置１には、フェイススラブ９３の最上面を滑らかにするための仕上げ用の型枠が設けられていてもよい（図示せず）。

また、本実施形態に係る構造物施工装置１によれば、複数のヘッド２１，２２，３１が１つの移動部２に搭載されているため、ヘッド２１，２２，３１毎に移動部２を設ける場合に比べて、構造物施工装置１の小型化、製造コストの低減を図ることができる。

また、仮に、移動部２が副走査方向に移動しない場合、フェイススラブ９３を構築するためにヘッド２１，２２，３１の数を増加させなければならず、構造物施工装置１の大型化、製造コストの増加を招くことになる。これに対し、本実施形態に係る構造物施工装置１（構造物施工方法）によれば、移動部２を副走査方向に移動させることで、ヘッド２１，２２，３１の数を増加させることなく、フェイススラブ９３を副走査方向に連続的に形成することができる。

また、本実施形態に係る構造物施工装置１によれば、各アーム部２３，２４，３２が各ヘッド２１，２２，３１を移動させることで、各ヘッド２１，２２，３１の可動領域を広げることができる。これにより、各層Ｌ１～Ｌ３の造形範囲が広がるため、フェイススラブ９３の構築期間を短縮することができる。

また、本実施形態に係る構造物施工方法によれば、第１耐圧力層形成工程Ｓ１、耐張力層形成工程Ｓ２および第２耐圧力層形成工程Ｓ３が並行して実行されるため、第１耐圧力層Ｌ１、耐張力層Ｌ２および第２耐圧力層Ｌ３を同時期に構築することができる。これにより、フェイススラブ９３を短時間で構築することができる。

なお、一般的なスリップフォーム工法では、積層構造物の構築面（堤体９１の上流側斜面）から浮かせた状態で鉄筋（耐張力層Ｌ２）を支持しなければならないため、鉄筋（耐張力層Ｌ２）は主筋Ｌ２１と配力筋Ｌ２２とを格子状に組んで形成されることが多い。このように格子状に組まれた鉄筋は構築面全体に設置される。これに対し、本実施形態に係る構造物施工装置１（構造物施工方法）では、耐張力層Ｌ２を構築面に浮かせて配置する必要がないため、耐張力層Ｌ２は格子状に形成されなくてもよい。例えば、図７に示すように、耐張力層Ｌ４は、配力筋Ｌ２２を省略し、主走査方向に延びた複数の主筋Ｌ２１のみで構成されてもよい。この構成によれば、耐張力層Ｌ４にかかる材料（金属インク）を削減することができると共に、造形にかかる時間を短縮することができる。なお、主筋Ｌ２１は、棒形状に限らず、例えば、板に所定のパターン（縦線状、千鳥状等）で開口を設けた形状であってもよい（図示せず）。また、主筋Ｌ２１は、構築面全体でなく、必要な個所にのみ設けてもよい。

また、本実施形態に係る構造物施工装置１（構造物施工方法）では、耐張力層Ｌ２が一層のみ形成されていたが、２層以上形成されてもよい（図示せず）。例えば、中間層（セメント系材料）の表裏両面に積層された２層の耐張力層Ｌ２が第１耐圧力層Ｌ１と第２耐圧力層Ｌ３との間に挟み込まれて積層構造物を構成してもよい。

なお、本実施形態に係る構造物施工装置１（構造物施工方法）では、第１耐圧力層形成工程Ｓ１、耐張力層形成工程Ｓ２および第２耐圧力層形成工程Ｓ３が１回の副走査方向への移動中に実行されていたが、本発明はこれに限定されない。他の例として、制御部４は、移動部２の主走査方向の位置を変えずに、移動部２を副走査方向の一方から他方に移動させる間に第１耐圧力層Ｌ１を造形し、移動部２を副走査方向の他方から一方に移動させる間に耐張力層Ｌ２を造形し、移動部２を副走査方向の一方から他方に移動させる間に第２耐圧力層Ｌ３を造形してもよい。すなわち、副走査方向への１回（１パス）の移動毎に、第１耐圧力層形成工程Ｓ１、耐張力層形成工程Ｓ２および第２耐圧力層形成工程Ｓ３を順次切り替えて実行してもよい。さらに換言すれば、主走査方向に同一位置に配置された移動部２が副走査方向に１．５往復移動する間に、フェイススラブ９３が構築されるようにしてもよい。なお、３つのアーム部２３，２４，３２は、副走査台車１１の移動方向に応じて、３つのヘッド２１，２２，３１の位置（順番）を適宜変更する。

また、本実施形態に係る構造物施工装置１（構造物施工方法）では、移動部２が副走査方向に移動した後に主走査方向の下流側に移動するように制御されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、移動部２は、主走査方向に移動した後に副走査方向の一方に移動するように制御されてもよい。また、各層Ｌ１～Ｌ３の厚さによっては、副走査台車１１を繰り返し往復移動させながら各層Ｌ１～Ｌ３を造形してもよい。

また、本実施形態に係る構造物施工装置１では、第１セメント系ヘッド２１、第２セメント系ヘッド２２および芯材系ヘッド３１が１つずつ設けられていたが、本発明はこれに限定されない。第１セメント系ヘッド２１、第２セメント系ヘッド２２および芯材系ヘッド３１の少なくとも１つのヘッドが、複数設けられていてもよい（図示せず）。また、例えば、複数の第１セメント系ヘッド２１が設けられる場合、複数の第１セメント系ヘッド２１が１つの第１セメント系アーム部２３に支持されてもよいし、複数の第１セメント系ヘッド２１に対応するように複数の第１セメント系アーム部２３を設けてもよい（図示せず）。芯材系ヘッド３１と第２セメント系ヘッド２２もこれと同様である。

また、本実施形態に係る構造物施工装置１では、移動部２が主走査方向および副走査方向に移動可能に構成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、積層構造物の副走査方向の距離が短い場合、または３つ以上のヘッド２１，２２，３１が副走査方向に並設されている場合等、移動部２を副走査方向に移動させる必要がないのであれば、副走査台車１１を省略し、移動部２が主走査台車１０のみで構成されてもよい（図示せず）。この場合、プリント部３は主走査台車１０に搭載される。

また、本実施形態に係る構造物施工装置１では、各ヘッド２１，２２，３１が各アーム部２３，２４，３２に支持されていたが、本発明はこれに限定されない。各アーム部２３，２４，３２が省略され、各ヘッド２１，２２，３１が、直接、移動部２（主走査台車１０または副走査台車１１）に支持されてもよい（図示せず）。

なお、本実施形態では、構造物施工装置１（構造物施工方法）がＣＦＲＤ９０のフェイススラブ９３を構築する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。構造物施工装置１（構造物施工方法）が、積層構造物の他の例として、コンクリート製の煙突や立坑等、上下方向に延びた筒状の積層構造物（図示せず）の構築に採用されてもよい。この場合、上下方向が主走査方向であり、周方向が副走査方向である。また、他にも、構造物施工装置１（構造物施工方法）が、道路や鉄道の防御壁、コンクリート製の道路または鉄道の軌道用路盤等（いずれも図示せず）、スリップフォーム工法で構築可能な積層構造物の構築に採用されてもよい。

また、本実施形態に係る構造物施工装置１では、作業者が遠隔操作機器５を用いて遠隔操作する構成であったが、これに限らず、遠隔操作機器５を省略し、作業者が構造物施工装置１に搭載された制御部４を直接操作してもよい。

なお、本実施形態では、セメント系材料としてコンクリートが用いられていたが、本発明はこれに限定されない。セメント系材料は、セメントペーストやモルタル等でもよい。また、芯材系材料は、鉄製の粒子を含む金属インクに限らず、ステンレス鋼の粒子を含む金属インクでもよい。また、芯材系材料の他の例として、ガラス繊維または炭素繊維等をプラスチック中に分散させて強化した強化プラスチックでもよい。強化プラスチックは、加熱機能を有するインクタンク３３に熱溶解された状態で貯留されてもよい（図示せず）。また、吐出直前に強化プラスチックを加熱するために、芯材系ヘッド３１が加熱機能を有してもよい（図示せず）。他にも、インクタンク３３に代えて、糸状に形成された強化プラスチックを巻き取ったリールがセットされてもよい（図示せず）。この糸状の強化プラスチックは、芯材系ヘッド３１に送り込まれ、芯材系ヘッド３１で加熱されて溶かされてもよい。

また、本実施形態では、コンクリートがシュート２８を介してミキサー車２７からコンクリートポンプ２６に供給されていたが、これに限らず、シュート２８を省略し、コンクリートポンプ２６の近傍でコンクリートを混合してもよい。

なお、本実施形態に係る構造物施工装置１では、制御部４の演算処理部４０がプログラムに従って演算処理を行うプロセッサーであったが、これに限らず、制御部４は、集積回路等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現されてもよい。

なお、上記実施形態の説明は、本発明に係る構造物施工装置および構造物施工方法における一態様を示すものであって、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明は技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよく、特許請求の範囲は技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様を含んでいる。

１構造物施工装置
２移動部
４制御部
２１第１セメント系ヘッド
２２第２セメント系ヘッド
２３第１セメント系アーム部
２４第２セメント系アーム部
３１芯材系ヘッド
３２芯材系アーム部
９３フェイススラブ（積層構造物）
Ｌ１第１耐圧力層
Ｌ２耐張力層
Ｌ３第２耐圧力層
Ｓ１第１耐圧力層形成工程
Ｓ２耐張力層形成工程
Ｓ３第２耐圧力層形成工程

Claims

セメント系材料と芯材系材料を積層して積層構造物を構築する構造物施工装置であって、
主走査方向に移動する移動部と、
前記移動部に搭載され、前記セメント系材料を吐出して第１耐圧力層を造形する第１セメント系ヘッドと、
前記移動部に搭載され、前記第１セメント系ヘッドによって造形された前記第１耐圧力層の前記主走査方向の上流側で前記芯材系材料を吐出して前記第１耐圧力層に重ねるように耐張力層を造形する芯材系ヘッドと、
前記移動部に搭載され、前記芯材系ヘッドによって造形された前記耐張力層の前記主走査方向の上流側で前記セメント系材料を吐出して前記第１耐圧力層との間に前記耐張力層を挟むように第２耐圧力層を造形する第２セメント系ヘッドと、
前記移動部を前記主走査方向に移動させながら前記第１セメント系ヘッド、前記芯材系ヘッドおよび前記第２セメント系ヘッドを吐出制御し、前記第１耐圧力層、前記耐張力層および前記第２耐圧力層を前記主走査方向に連続して造形させる制御部と、を備えたことを特徴とする構造物施工装置。
前記移動部は、前記主走査方向に移動すると共に前記主走査方向に直交する副走査方向に移動し、
前記制御部は、前記移動部を前記副走査方向に移動させながら前記第１セメント系ヘッド、前記芯材系ヘッドおよび前記第２セメント系ヘッドを吐出制御し、前記第１耐圧力層、前記耐張力層および前記第２耐圧力層を前記前記副走査方向に連続して造形させることを特徴とする請求項１に記載の構造物施工装置。
前記移動部と前記第１セメント系ヘッドとを連結し、前記第１セメント系ヘッドを移動可能に支持する第１セメント系アーム部と、
前記移動部と前記芯材系ヘッドとを連結し、前記芯材系ヘッドを移動可能に支持する芯材系アーム部と、
前記移動部と前記第２セメント系ヘッドとを連結し、前記第２セメント系ヘッドを移動可能に支持する第２セメント系アーム部と、を更に備え、
前記制御部は、前記第１セメント系アーム部、前記芯材系アーム部および前記第２セメント系アーム部の移動を更に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の構造物施工装置。
セメント系材料と芯材系材料を積層して積層構造物を構築する構造物施工方法であって、
主走査方向に移動可能な移動部に搭載された第１セメント系ヘッドから前記セメント系材料を吐出して第１耐圧力層を造形する第１耐圧力層形成工程と、
前記移動部に搭載された芯材系ヘッドから前記第１セメント系ヘッドによって造形された前記第１耐圧力層の前記主走査方向の上流側で前記芯材系材料を吐出して前記第１耐圧力層に重ねるように耐張力層を造形する耐張力層形成工程と、
前記移動部に搭載された第２セメント系ヘッドから前記芯材系ヘッドによって造形された前記耐張力層の前記主走査方向の上流側で前記セメント系材料を吐出して前記第１耐圧力層との間に前記耐張力層を挟むように第２耐圧力層を造形する第２耐圧力層形成工程と、を備え、
前記第１耐圧力層形成工程、前記耐張力層形成工程および前記第２耐圧力層形成工程が前記移動部を前記主走査方向に移動させながら行われることで、前記第１耐圧力層、前記耐張力層および前記第２耐圧力層が前記主走査方向に連続して造形されることを特徴とする構造物施工方法。
前記移動部は、前記主走査方向に移動すると共に前記主走査方向に直交する副走査方向に移動し、
前記第１耐圧力層形成工程、前記耐張力層形成工程および前記第２耐圧力層形成工程が前記移動部を前記副走査方向に移動させながら行われることで、前記第１耐圧力層、前記耐張力層および前記第２耐圧力層が前記副走査方向に連続して造形されることを特徴とする請求項４に記載の構造物施工方法。
前記第１耐圧力層形成工程、前記耐張力層形成工程および前記第２耐圧力層形成工程は並行して行われることを特徴とする請求項４または５に記載の構造物施工方法。