JP2000266541A - 空洞用計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空洞の形状を正確に測定すること。 【解決手段】 計測装置１０は、空洞に連通する連通孔
内に挿通される計測ロッド１４と、演算制御手段とを有
している。ロッド１４には、距離測定手段１８が取付け
られ、進退移動自在かつ回転自在に支持されている。距
離測定手段１８は、空洞２の内面に十字形状のマーカー
２２を投影表示するレーザマーカ機２４と、ＣＣＤカメ
ラ２６とを備えている。マーカ機２４とカメラ２６と
は、円盤ステージ２８上に設置されている。カメラ２６
が円盤ステージ２８のほぼ中心にあって、その側方にレ
ーザマーカ機２４が配置されていて、これらの光軸c
１、ｃ２の間隔Lは、既知の値になっている。カメラ２
６は回動自在に支持されていて、回動中心に直流サーボ
モータ３２が連結されている。カメラ２６で撮像した画
像情報を演算制御手段に取り込み、十字状マーカー２４
に対するレーザマーカ機２４とＣＣＤカメラ２６との間
の挟角θを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、トンネル掘削工
事や立坑掘削工事などにおいて地盤内に存在する空洞用
の計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】山岳トンネル工法においては、工事計画
の段階で、岩種,亀裂の状態,地山の弾性波計測値,地山
の物性値などに着目して地山を工学的に分類し、このよ
うな分類に基づいてトンネルの掘削方法,支保工の配置
パターン,二次覆工の種別などの施工基準を決定する事
前設計を行うのが普通である。

【０００３】一方、施工中においては、切羽の観察,掘
削現場で採取された試料などによる試験を適宜行い、事
前設計にその結果を反映させたり、湧水や地山の崩落と
いった不測の事態に備えている。

【０００４】この場合、特に、図５に示すように、切羽
１の前方に空洞２が存在する際には、このような空洞２
の存在に気がつかないで掘削を進めると、空洞２の部分
まで掘り進んだときに、同図(ｂ)に示すように、切羽１
が崩落して、不足の事故が発生する。

【０００５】また、同図(ｃ)に示すように、当初に空洞
２が存在していなくても、掘り進んだことにより、地山
が緩んで崩壊し、その結果空洞２が新たに発生する場合
もある。

【０００６】このような空洞２が存在する場合には、従
来、図６に示すように、切羽１からボーリング孔３を削
孔し、このボーリング孔３を介して、空洞２内に予め充
填材４を注入し、掘削の際の地山崩落を防止していた。

【０００７】ところが、このような地山の崩落防止対策
には、以下に説明する技術的な課題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、図６に示し
た地山崩落対策においては、空洞２の大きさや形状など
が、掘削している切羽１側から直接観察することができ
ないことが多く、このような条件では、空洞２の大きさ
や形状などを推定するために、ボーリング孔３を多く削
孔することになり、空洞２内に充填４を注入する事前準
備に、多くの時間とコストがかかるという問題があっ
た。

【０００９】また、多数のボーリング孔３を削孔したと
しても、空洞２の形状や大きさを正確に推定することが
難しく、このため、空洞２内に充填材４を確実に充填す
ることは、かなり困難になるという問題もあった。

【００１０】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的とするところは、空
洞の形状を正確に測定することで、空洞内に充填材を確
実に充填することを可能にする空洞用計測装置を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、空洞内に連通する連通孔に挿通され、先
端に距離測定手段が取付けられ、進退移動自在かつ回転
可能に構成された計測ロッドと、前記距離測定手段によ
り求められた距離データと、前記計測ロッドの進退量お
よび回転量とに基づいて、前記空洞の形状,容積などの
諸量を演算する演算制御手段と、前記演算制御手段にて
求められた前記諸量を出力する出力手段とを備えた空洞
用計測装置であって、前記距離測定手段が、前記空洞内
面に所定形状のマーカーを投影表示するレーザマーカ機
と、前記レーザマーカ機から既知間隔地点に設けられた
ＣＣＤカメラとを有し、前記マーカーを前記ＣＣＤカメ
ラで撮像して得られる画像情報から、前記レーザマーカ
機と前記ＣＣＤカメラとの間の挟角を測定するようにし
た。このように構成した空洞用計測装置よれば、距離測
定手段が、空洞内面に所定形状のマーカーを投影表示す
るレーザマーカ機と、レーザマーカ機から既知間隔地点
に設けられたＣＣＤカメラとを有し、マーカーをＣＣＤ
カメラで撮像して得られる画像情報から、レーザマーカ
機とＣＣＤカメラとの間の挟角を測定するので、この測
定値から三角測量の原理で、ＣＣＤカメラと空洞内面に
投影表示されたマーカーとの間の距離が判る。このよう
な距離測定を計測ロッドを回転移動させながら行うと、
空洞の一断面の形状および大きさが判る。そして、計測
ロッドの回転移動を進退移動とを組合せることにより、
計測ロッドの進退方向に沿った空洞の断面の形状および
大きさが判り、これに基づいて空洞の形状,容積などの
諸量を演算することができる。そして、空洞の形状,容
積などの諸量が判ると、空洞内に充填材を確実に充填す
ることができる。前記レーザマーカ機と前記ＣＣＤカメ
ラは、前記計測ロッドの長手軸と直交する軸線を中心と
して、首振り自在に設けられたステージ上に設置するこ
とができる。この構成によれば、測定ロッドの回転方向
と併せることにより、直交する２平面内でレーザマーカ
機とＣＣＤカメラとを回転ないしは首振り移動させるこ
とができ、空洞の形状を３次元的に把握することが可能
になる。前記ＣＣＤカメラは、前記レーザマーカ機と同
軸上に回動自在に設置され、回動した際の回動量を検出
する回動センサを設けることができる。この構成によれ
ば、回転センサにより、レーザマーカ機とＣＣＤカメラ
との間の挟角を測定することができる。前記マーカー
は、十字形状に形成することができる。この構成によれ
ば、空洞内に投影された十字形状のマーカーをＣＣＤカ
メラで撮像し、十字形状の歪みなどを見ることにより、
空洞内面の傾斜,凹凸などの面情報も得ることができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１お
よび図４は、本発明にかかる空洞用計測装置の一実施例
を示している。

【００１３】なお、以下の説明では、前述した従来例と
同一もしくは相当する部分には、同一符号を付して、そ
の詳細な説明を省略する。これらの図に示した空洞用計
測装置１０は、空洞２に連通する連通孔１２内に挿通さ
れる計測ロッド１４と、演算制御手段１６とを有してい
る。

【００１４】計測ロッド１４は、先端に距離測定手段１
８が取付けられており、駆動機構２０に、空洞２に対し
て進退移動自在に支持されるとともに、駆動機構２０に
より回転自在に支持されている。

【００１５】駆動機構２０は、例えば、ラックピニオン
やボールスクリュー機構などで構成した進退移動機構部
２０ａと、例えば、直流サーボモータで構成し、計測ロ
ッド１４をその長手軸線を中心として、左右方向に回転
駆動させる回転移動機構部２０ｂとを有している。

【００１６】これらの各移動機構部２０ａ,２０ｂに
は、進退移動量を検出するストロークセンサ２０ｃと、
回転移動量を検出する回転センサ２０ｄとがそれぞれ付
設されている。

【００１７】距離測定手段１８は、その詳細を図２,３
に示すように、空洞２の内面に十字形状のマーカー２２
を投影表示するレーザマーカ機２４と、ＣＣＤカメラ２
６とを備えている。

【００１８】レーザマーカ機２４とＣＣＤカメラ２６と
は、円盤ステージ２８上に設置されている。本実施例の
場合には、ＣＣＤカメラ２６が円盤ステージ２８のほぼ
中心にあって、その側方の同軸上にレーザマーカ機２４
が配置されていて、これらの光軸c１、ｃ２の間隔Lは、
既知の値になっている。

【００１９】本実施例の場合には、ＣＣＤカメラ２６
は、その両端が、円盤ステージ２８に固設された一対の
支持台３０により挟持されていて、回動自在に支持され
ている。

【００２０】支持台３０には、回転軸がＣＣＤカメラ２
６の回動中心に連結された回動用直流サーボモータ３２
が取付けられており、このサーボモータ３２には、その
回動量、すなわち、ＣＣＤカメラ２６の回動量を検出す
る回動センサ３３(具体的には、ロータリエンコーダ)が
付設されている。

【００２１】また、円盤ステージ２８は、その下面側に
設けられた首振り台３４により、計測ロッド１４の長手
軸方向と直交する軸線Ｘを回動中心として、図３の左右
方向に約１８０度程度首振り可能に支持されている。

【００２２】首振り台３４には、円盤ステージ２８の首
振り中心に連結された首振り用直流サーボモータ３６が
取付けられており、このサーボモータ３６には、その首
振り量を検出する首振りセンサ３８(具体的には、ロー
タリエンコーダ)が付設されている。

【００２３】首振り台３４は、計測ロッド１４の先端に
突設した支持部材４０の上面側に固設支持されている。
一方、演算制御部１６は、例えば、メモリ４２を有する
パソコンなどで構成され、図２に電気系統のブロック図
を示すように、モニタ４４および出力用のプリンタ４６
が接続されている。

【００２４】また、この演算制御部１６には、ＣＣＤカ
メラ２６が画像入力演算処理ボード４８を介して接続さ
れており、後述するように、このボード４８を介してＣ
ＣＤカメラ２６で撮像した画像情報を取り込み、十字状
マーカー２４に対するレーザマーカ機２４とＣＣＤカメ
ラ２６との間の挟角θなどを演算処理によって求める。

【００２５】さらに、演算制御部１６には、回動用直流
サーボモータ３２と首振り用直流サーボモータ３６と
が、モータドライバー回路５０を介して接続されるとと
もに、回動センサ３３と首振りセンサ３８との出力信号
が入力される。

【００２６】これにより、演算制御部１６は、回動用直
流サーボモータ３２を駆動することにより、ＣＣＤカメ
ラ２６を回動させて、その時の回動量を回動センサ３３
から入力して、挟角θを測定する際の値を得る。

【００２７】また、演算制御部１６は、首振り用直流サ
ーボモータ３６を駆動することにより、レーザマーカ機
２４とＣＣＤカメラ２６とが搭載された円盤ステージ２
８を首振り移動させて、その移動量を首振りセンサ３８
から入力させる。

【００２８】また、演算制御部１６には、駆動機構２０
の進退移動および回転移動機構部２０ａ,２０ｂが接続
されており、これらの各機構部２０ａ,２０ｂに制御信
号を送出して、計測ロッド１４を進退移動ないしは回転
移動させ、その時の移動量を各センサ２０ｃ,２０ｄか
ら入力する。

【００２９】図４は、演算制御部１６で行われる制御手
順の一例を示しており、同図に示した手順は、ＣＣＤカ
メラ２６を回動させて、十字状マーカー２４に対するレ
ーザマーカ機２４とＣＣＤカメラ２６との間の挟角θを
求める際のものである。

【００３０】手順がスタートすると、まず、ステップs
１でＣＣＤカメラ２６で撮影された画像情報が、画像入
力演算処理ボード４８を介して取り込まれる。

【００３１】このとき、図４(Ｂ)に示すように、空洞２
の内面上に投影されている十字状マーカー２２の中心点
Ｏが、常に、ＣＣＤカメラ２６のカメラ画像のいずれか
一方の軸、同図では、Ｘ軸上に位置するように制御す
る。

【００３２】このような画像情報が取り込まれると、ス
テップs２で、画像情報上での十字状マーカー２２の中
心点Ｏの座標値ｘを求める。次ぎに、ステツプs３で、
座標値ｘが０か否かを判断し、これが０でない場合に
は、s４に移行する。

【００３３】ステップｓ4では、ビジュアルフィードバ
ック制御則により、回動用直流サーボモータ３２の目標
角速度を求める。続くステップs５では、角速値を電圧
値に換算してて、モータードライバー５０に指令電圧値
を送出する。

【００３４】モータドライバー５０は、アンプを介し
て、回動用直流サーボモータ３２を回転駆動させ、ＣＣ
Ｄカメラ２６を所定の方向に回動させ、ステップs１に
戻る。このような制御手順を経て、ステップs３で、座
標値ｘが０になったと判断されると、ＣＣＤカメラ２６
のカメラ画像の中心と十字状マーカー２２の中心点Ｏと
が一致するので、手順が終了し、そのときの回動用直流
サーボモータ３２の回動量が、十字状マーカー２４に対
するレーザマーカ機２４とＣＣＤカメラ２６との間の挟
角θになる。

【００３５】このようにして挟角θが求められると、レ
ーザマーカ機２４とＣＣＤカメラ２６の光軸c１、ｃ２
の間隔Lが既知なので、挟角θから三角測量の原理
で、、レーザマーカ機２４,ＣＣＤカメラ２６と、空洞
２の内面に投影された十字状マーカー２４との間の距離
データｒが判る。

【００３６】なお、十字状マーカー２２の中心点Ｏをカ
メラ画像の中心に一致させる制御は、例えば、所定の距
離までは、一定ピッチずつ移動させた後に、微調整を行
うことによっても可能であるが、図４に示したように、
一方から速度を調整しながら一致させる方が、制御を迅
速に行える。

【００３７】このような距離測定を計測ロッド１４を回
転移動機構部２０ｂにより回転させながら行うと、図１
に仮想線で示すように、空洞２の一断面の形状および大
きさが判る。そして、計測ロッド１４の回転移動を進退
移動とを組合せることにより、計測ロッド１４の進退方
向に沿った空洞２の断面の形状および大きさが判り、こ
れに基づいて空洞の形状,容積などの諸量を演算するこ
とができる。

【００３８】そして、空洞の形状,容積などの諸量が判
ると、空洞内に充填材を確実に充填することができる。

【００３９】この場合、本実施例では、レーザマーカ機
２４とＣＣＤカメラ２６は、計測ロッド１４の長手軸と
直交する軸線Xを中心として、首振り自在に設けられた
ステージ２８上に設置しているので、測定ロッド１４の
回転方向と併せることにより、直交する２平面内でレー
ザマーカ機２４とＣＣＤカメラ２６とを回転ないしは首
振り移動させることができ、この結果、空洞２の形状を
３次元的に把握することが可能になる。

【００４０】また、本実施例の場合には、マーカー２２
は、十字形状に形成しているので、空洞２内に投影され
た十字形状マーカー２２をＣＣＤカメラ２６で撮像し、
十字形状の歪みなどを見ることにより、空洞２内面の傾
斜,凹凸などの面情報も得ることができる。

【００４１】この場合、十字状マーカー２２をＣＣＤカ
メラ２６で撮像した際に、十字線に沿って移動させなが
ら、各点の焦点深度を測定することにより、その凹凸や
傾斜を知ることができる。

【００４２】また、予め判明している凹凸ないしは傾斜
上に十字状マーカー２２を投射して、これをＣＣＤカメ
ラ２６で撮像した状態をメモリ４２に記憶させておく
と、実際に撮像した情報とメモリ記憶情報とを比較する
ことにより、空洞２内面の傾斜,凹凸なども知ることが
できる。

【００４３】なお、上記実施例では、マーカー２２を十
字状に形成したものを例示したが、本発明の実施は、こ
の構成に限定されることはなく、例えば、中心点が判れ
ば、同心円状や、同心円と十字とを組合せた形状などで
あってもよい。

【００４４】

【発明の効果】以上、実施例で詳細に説明したように、
本発明にかかる空洞用計測装置によれば、空洞の形状を
正確に測定することで、空洞内に充填材を確実に充填す
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる空洞用計測装置の一実施例を示
す設置状態の全体説明図である。

【図２】図１の計測装置の電気系統のブロック図であ
る。

【図３】図１の計測装置の距離測定手段の詳細図であ
る。

【図４】図１の計測装置の演算制御部で行われる制御手
順の一例を示すフローチャート図と、挟角を測定する際
の説明図である。

【図５】従来のトンネル掘削工法において、空洞が存在
する場合に地山崩落状態および新たな空洞が形成される
場合の説明図である。

【図６】空洞に充填材を充填する方法の説明図である。

【符号の説明】 １０ 計測装置 １２ 連通孔 １４ 計測ロッド １６ 演算制御部 １８ 距離測定手段 ２０ 駆動機構 ２０ａ 進退移動機構部 ２０ｂ 回転移動機構部 ２２ マーカー ２４ レーザマーカ機 ２６ ＣＣＤカメラ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空洞内に連通する連通孔に挿通され、先
   端に距離測定手段が取付けられ、進退移動自在かつ回転
   自在に構成された計測ロッドと、 前記距離測定手段により求められた距離データと、前記
   計測ロッドの進退量および回転量とに基づいて、前記空
   洞の形状,容積などの諸量を演算する演算制御手段と、 前記演算制御手段にて求められた前記諸量を出力する出
   力手段とを備えた空洞用計測装置であって、 前記距離測定手段が、前記空洞内面に所定形状のマーカ
   ーを投影表示するレーザマーカ機と、前記レーザマーカ
   機から既知間隔地点に設けられたＣＣＤカメラとを有
   し、 前記マーカーを前記ＣＣＤカメラで撮像して得られる画
   像情報から、前記レーザマーカ機と前記ＣＣＤカメラと
   の間の挟角を測定することを特徴とする空洞用計測装
   置。
2. 【請求項２】 前記レーザマーカ機と前記ＣＣＤカメラ
   は、前記計測ロッドの長手軸と直交する軸線を中心とし
   て、首振り自在に設けられたステージ上に設置したこと
   を特徴とする請求項１記載の空洞用計測装置。
3. 【請求項３】 前記ＣＣＤカメラは、前記レーザマーカ
   機と同軸上に回動自在に設置され、回動した際の回動量
   を検出する回動センサを設けたことを特徴とする請求項
   ２記載の空洞用計測装置。
4. 【請求項４】 前記マーカーは、十字形状に形成するこ
   とを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の空
   洞用計測装置。