JP2001271583A - トンネル内壁測定システムおよびトンネル内壁測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トンネル内壁を短時間かつ連続的に測定でき
るトンネル内壁測定システムおよびトンネル内壁測定方
法を提供すること。 【解決手段】 トンネル壁面を走査するためのレーザー
光を所定の発光範囲で発光する発光部２１０と、前記ト
ンネル壁面からの前記レーザー光の反射光を所定の受光
範囲で受光する受光部２２０と、前記レーザー光の発光
から受光までにかかる時間に基づき、前記発光手段の付
近の所定の計測点から前記トンネル壁面までの距離を演
算し、この演算結果に基づきトンネル壁面の形状を演算
する演算部１５４とを含む測定装置１００およびハンデ
ィターミナル１５０を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被視準体を用いな
いトンネル内壁測定システムおよびトンネル内壁測定方
法に関する。

【０００２】

【背景技術および発明が解決しようとする課題】トンネ
ル掘削においては、掘削予定の断面積以上に掘削する余
掘りの量が増えると、ライニングのために打設されるコ
ンクリート量等が増加し、また、同時に施工効率の低下
を来すため、工事の工期、経済性に大きな悪影響を及ぼ
す。

【０００３】近年、これまでトンネル掘削の基準として
いた鋼製支保工が、工事費のコスト低減に伴うトンネル
支保の見直しにより、使用されない場合も増えてきてい
ること、また、二次覆工コンクリートの巻き厚管理が重
用視されていること等から断面測定による掘削管理の必
要性が高まっている。

【０００４】トンネル断面測定の従来方式としては、被
視準体を用いない断面測定器等を用いているが、測定器
の設置位置の垂直断面しか測定できないため、切羽近傍
での測定に危険性が伴うこと、測定器の据え付けに時間
がかかる等の問題がある。

【０００５】また、特に中硬岩の地山を掘削する場合、
切羽の不連続面の存在が地山安定性を左右することにな
る。したがって、適切なトンネル支保設計、施工の安全
性の確保等を実現するためには、切羽の不連続面の出現
頻度、位置、構造等を十分に把握することが重要であ
る。

【０００６】軟岩の地山を掘削する場合、比較的変位が
大きく、継続して変形が生じるため、対策工の検討を進
めやすいが、中硬岩の地山を掘削する場合には、不連続
面で形成されたキーブロック（当該ブロック（岩）の崩
壊によって他のブロックの崩壊を引き起こす岩のこと）
が突然崩落して大きな事故となることが多く、安全性の
確保等の実現が極めて重要となる。

【０００７】本発明は、上記の課題に鑑みなされたもの
であり、その目的は、トンネル内壁状況を短時間かつ連
続的に計測できるトンネル内壁測定システムおよびトン
ネル内壁測定方法を提供することにあり、特に、切羽の
不連続面構造を迅速に把握することのできるトンネル内
壁測定システムおよびトンネル内壁測定方法を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るトンネル内壁測定システムは、山岳ト
ンネルにおいて用いられ、被視準体を用いずにトンネル
壁面の形状を計測するトンネル内壁測定システムにおい
て、前記トンネル壁面を走査するためのレーザー光を所
定の発光範囲で発光する発光手段と、前記トンネル壁面
からの前記レーザー光の反射光を所定の受光範囲で受光
する受光手段と、前記レーザー光の発光から受光までに
かかる時間に基づき、前記発光手段の付近の所定の計測
点から前記トンネル壁面までの距離を演算し、この演算
結果に基づきトンネル壁面の形状を演算する演算手段
と、を含み、前記レーザー光を反射して投射するための
回転駆動可能な反射板と、前記反射板を回転駆動する手
段と、を含み、前記反射板を回転駆動し、反射角度を変
えながら前記トンネル内壁へ向け前記レーザー光を発光
することを特徴とする。

【０００９】本発明によれば、レーザー光のトンネル壁
面からの反射光を所定の受光範囲で受光できるため、受
光するために受光手段の設置角度を変更する必要をなく
し、短時間に連続的に測定することができる。連続して
測定することにより、トンネル壁面の形状を短時間で把
握することができる。これにより、トンネルの内径や切
羽の変位を迅速に把握することができる。

【００１０】また、本発明によれば、発光部分を回転さ
せるのではなく、反射部分を回転することにより、発光
部分の故障率を低減し、安定して連続的に測定すること
ができる。

【００１１】また、反射板を回転駆動することにより、
発光部分を直接回転する場合と比べてより広範囲に発光
することができる。これにより、例えば、トンネルの内
径を計測する場合、天端等の上面だけでなく、待避道部
分等の側面も快適に測定できる。

【００１２】さらに、反射板を適用することにより発光
と受光の光軸を一致させ、正確な測定が行える。

【００１３】また、前記発光手段および前記受光手段を
有するレーザー光ユニットと、当該レーザー光ユニット
の傾きを計測する傾斜測定手段と、を含み、前記演算手
段は、前記傾きの計測結果に基づき、前記トンネル壁面
までの距離の演算結果および前記トンネル壁面の形状の
演算結果の少なくとも一方を補正することが好ましい。

【００１４】これによれば、上り勾配での掘削、下り勾
配での掘削、曲線掘削等のトンネル底面に傾きが生じる
場合においても短時間かつ連続的にトンネル壁面の形状
を把握することができる。

【００１５】また、超音波を用いてトンネル内の前記レ
ーザー光ユニットの設置高さを計測し、この設置高さに
基づき前記計測点の設置高さを計測する手段を含むこと
が好ましい。

【００１６】これによれば、計測点を変更して測定する
場合であっても短時間に測定することができる。すなわ
ち、例えば、トンネルの天端だけ測定する場合は前記発
光手段、前記受光手段および前記計測点を前記天端付近
に設けることが好ましい。すなわち、高い位置に設けた
ほうが連続的に測定しやすい。このように、基準位置か
ら高さを変更した場合でも、再度基準位置を設定し直さ
なくても高さの補正処理を行うだけで速やかに測定を開
始することができる。

【００１７】また、前記トンネル壁面までの距離の演算
結果および前記トンネル壁面の形状の演算結果の少なく
とも一方を記憶する記憶手段を有する携帯情報端末を含
むことが好ましい。

【００１８】これによれば、携帯情報端末を用いて計測
結果を持ち運ぶことができるため、コンピュータを用い
て計測結果を加工する場合等において、携帯情報端末の
情報を種々のコンピュータに記憶させやすい。

【００１９】また、前記発光手段は、前記レーザー光の
周波数を変化させながら発光することが好ましい。

【００２０】これによれば、発光から受光までに多少時
間がかかる場合であっても、発光した光を波長により区
別できるため、連続的に測定することができる。

【００２１】また、前記受光範囲は１００度以上１８０
度以下に設定されていることが好ましい。

【００２２】これによれば、広範囲に測定することがで
き、例えば、トンネルの内径を計測する場合、天端等の
上面だけでなく、待避道部分等の側面も快適に測定でき
る。

【００２３】なお、１００度以上１８０度以下に設定す
るのは、受光範囲が１００度未満では、トンネルの断面
測定において測定装置の向きを変える必要が生じ、受光
範囲が１８０度を超えると実用的な範囲外であり、測定
時間の増大の一因となってしまうからである。

【００２４】また、前記トンネル壁面の一部である切羽
を撮像する撮像手段を含み、前記演算手段は、演算によ
り求めた前記トンネル壁面の形状および前記撮像手段の
撮像結果に基づき、前記切羽の形状を演算することが好
ましい。

【００２５】これによれば、撮像データと、発光と受光
により求められる切羽の形状データとを用いて、切羽の
形状、特に、切羽の不連続面を正確に把握することがで
きる。

【００２６】例えば、撮像データだけを用いて画像処理
（リニアメント抽出）を行った場合、切羽のエッジ等は
判断しやすいが、切羽の稜線も不連続面として取り扱っ
てしまう場合がある。

【００２７】一方、発光と受光により求められる切羽の
形状データだけを用いた場合、凹凸は判断しやすいが、
不連続面を把握するには正確性に欠ける。

【００２８】撮像データと、発光と受光により求められ
る切羽の形状データの両方を用いることにより、不連続
面を正確に把握することができる。

【００２９】なお、この場合、計測の対象となるトンネ
ル壁面としては、切羽を対象とすることが好ましい。

【００３０】また、前記発光手段と、前記受光手段と、
前記撮像手段とを有する測定装置を、前記トンネルの内
部を切羽方向に走行させる走行手段を含むことが好まし
い。

【００３１】これによれば、掘削によって切羽の位置が
変わった場合でも、それに合わせて測定装置を迅速に移
動でき、切羽の不連続面の把握等の連続して測定を行う
必要がある場合に快適に測定を行うことができる。

【００３２】ここで、前記走行手段は、前記トンネルの
側壁に設けられるレールと、レール上を走行させる走行
装置を含むことが好ましい。

【００３３】これによれば、測定装置がトンネルの側壁
を走行するため、施工サイクルの妨げとならずに迅速に
切羽の不連続面の把握等を行うことができる。

【００３４】また、ここで、前記携帯情報端末は、前記
発行手段、前記受光手段、前記走行手段を制御する制御
手段を含むことが好ましい。

【００３５】これによれば、遠隔操作で所望のトンネル
壁面の測定を行うことができる。

【００３６】また、前記演算手段は、前記切羽の掘削に
伴って前記切羽の形状の演算を連続して行い、前記切羽
の３次元の形状を演算することが好ましい。

【００３７】これによれば、切羽の不連続面等を３次元
で把握することができるので、切羽の構造をより正確に
把握することができる。

【００３８】また、前記切羽の３次元の形状に基づき、
前記切羽に存在する当該ブロックの崩壊によって他のブ
ロックの崩壊を引き起こすキーブロックを把握する手段
を含むことが好ましい。

【００３９】これによれば、キーブロックも把握するこ
とができ、切羽の崩壊等を適切に防止しつつトンネルの
構築を行うことができる。

【００４０】また、本発明に係るトンネル内壁測定方法
は、トンネル壁面の形状を計測するトンネル内壁測定方
法において、前記トンネル壁面を走査するためのレーザ
ー光を発光する工程と、前記トンネル壁面からの前記レ
ーザー光の反射光を所定の受光範囲で受光する工程と、
前記レーザー光の発光から受光までにかかる時間の計測
結果に基づき、所定の計測点から前記トンネル壁面まで
の距離を演算し、この演算結果に基づきトンネル壁面の
形状を演算する演算工程と、を含むことを特徴とする。

【００４１】本発明によれば、レーザー光のトンネル壁
面からの反射光を所定の受光範囲で受光できるため、受
光するために受光手段の設置角度を変更する必要をなく
し、短時間に連続的に測定することができる。連続して
測定することにより、トンネル壁面の形状を短時間で把
握することができる。これにより、トンネルの内径や切
羽の変位を迅速に把握することができる。

【００４２】また、前記計測点の傾きを計測する工程を
含み、前記演算工程は、前記傾きの計測結果に基づき前
記トンネル壁面までの距離の演算結果および前記トンネ
ル壁面の形状の演算結果の少なくとも一方の補正を行う
工程を含むことが好ましい。

【００４３】これによれば、上り勾配での掘削、下り勾
配での掘削、曲線掘削等のトンネル底面に傾きが生じる
場合においても短時間かつ連続的にトンネル壁面の形状
を把握することができる。

【００４４】また、前記演算工程は、前記トンネル壁面
の一部である待避道の形状を演算する工程を含むことが
好ましい。

【００４５】これによれば、一般的なトンネル内径計測
では計測の難しい待避道部分も快適に計測できる。

【００４６】また、前記トンネル壁面の一部である切羽
の撮像を行う撮像工程を含み、前記演算工程は、前記切
羽の撮像結果に基づき、前記切羽の形状を演算する工程
を含むことが好ましい。

【００４７】例えば、撮像データだけを用いて画像処理
（リニアメント抽出）を行った場合、切羽の稜線も不連
続面として取り扱ってしまう場合がある。

【００４８】一方、発光と受光により求められる切羽の
形状データだけを用いた場合、凹凸は判断しやすいが、
不連続面を把握するには正確性に欠ける。

【００４９】そこで、撮像データと、発光と受光により
求められる切羽の形状データの両方を用いることによ
り、キーブロック等も把握することができ、切羽の崩壊
等を適切に防止しつつトンネルの構築を行うことができ
る。

【００５０】また、前記レーザー光の発光、受光、前記
切羽の撮像は、トンネルの掘削に伴って複数回行われ、
前記演算工程は、複数の受光結果および複数の撮像結果
に基づき、前記切羽の３次元形状を演算する工程を含む
ことが好ましい。

【００５１】これによれば、切羽の３次元形状を把握す
ることにより、切羽の構造をより正確に把握することが
できる。

【００５２】また、前記切羽の３次元形状に基づき、前
記切羽に存在する当該ブロックの崩壊によって他のブロ
ックの崩壊を引き起こすキーブロックを把握する工程を
含むことが好ましい。これによれば、キーブロックを把
握することができ、切羽の崩壊等を適切に防止しつつト
ンネルの構築を行うことができる。

【００５３】

【発明の実施の形態】次に、本発明を適用した好適な実
施の形態を、山岳トンネルの内径計測（断面計測）に適
用した例を用いて、図面に基づき詳細に説明する。

【００５４】（測定装置の説明）図１は、本実施の形態
の一例に係るトンネル内壁測定システムの全体図であ
る。

【００５５】トンネル内壁測定システムは、トンネル３
００において、切羽３９０や、天端３９２等のトンネル
内壁にレーザー光である投射光５００を投射し、トンネ
ル内壁からの反射光５０２を受光する測定装置１００を
含んで構成されている。

【００５６】一般に、トンネル内壁測定システムとして
は、被視準体を用いた測定システムや、被視準体を用い
ない測定システムも実現されている。しかし、被視準体
を用いた測定システムは、精度はあるものの被視準体の
設置に時間がかかる。一方、被視準体を用いない測定シ
ステムでは測定角度が固定されているものが多く、測定
の都度、測定角度を手動で変更しなければならなかった
り、測定角度が自動的に変更できるものであっても変更
に時間がかかるものがほとんどであった。

【００５７】本実施の形態では、測定角度を自動的かつ
短時間で変更できる測定装置１００であって、かつ、広
範囲な測定が可能な測定装置１００を実現している。図
１に示すように、測定装置１００は、トンネル内壁へ向
け投射光５００を発光し、トンネル内壁からの反射光５
０２を受光する。

【００５８】より具体的には、測定装置１００は、トン
ネル断面の１８０度を０．５度ずつ測定でき、１回あた
り約２６ミリ秒で計測できる。したがって、トンネル断
面の１８０度を０．５度ずつ計測した場合でも、底面を
除くトンネル断面の計測を約９秒で行うことができる。

【００５９】以下、この測定装置１００を用いたトンネ
ル内壁測定システムについて説明する。

【００６０】図２は、本実施の形態の一例に係るトンネ
ル内壁測定システムの機能ブロック図である。

【００６１】測定装置１００は、レーザー光の発光と受
光を行うユニット化されたレーザー光ユニット２００を
含んで構成されている。

【００６２】レーザー光ユニット２００は、トンネル壁
面を走査するためのレーザー光を所定の発光範囲で発光
する発光部２１０と、前記トンネル壁面からの前記レー
ザー光の反射光を所定の受光範囲で受光する受光部２２
０とを含んで構成されている。

【００６３】また、レーザー光ユニット２００は、反射
板を有する回転ミラー２３０と、回転ミラー２３０を回
転駆動する駆動部２４０とを含んで構成されている。

【００６４】発光部２１０から発光されたレーザー光
が、回転駆動されて所定の角度に調整された反射板で反
射してトンネル壁面へ向け投射される。

【００６５】一方、トンネル壁面からの反射光は、前記
反射板で反射されて受光部２２０で受光される。

【００６６】このように、反射板を適用することによ
り、発光部２１０と受光部２２０の光軸を一致させ、正
確な測定が行える。

【００６７】また、測定装置１００は、発光部２１０お
よび受光部２２０を有するレーザー光ユニット２００の
傾きを計測する傾斜測定手段である２軸傾斜計１１０
と、超音波を用いてレーザー光ユニット２００の設置高
さを計測する超音波センサー１２０を含んで構成されて
いる。

【００６８】また、本実施の形態に係るトンネル内壁測
定システムは、測定装置１００に加えて記憶部１５２と
演算部１５４を有する携帯情報端末であるハンディター
ミナル１５０と、ＰＣ（パーソナルコンピューター）１
９０を含んで構成されている。

【００６９】レーザー光ユニット２００での発光から受
光までにかかった時間を示す時間データ、２軸傾斜計１
１０で測定された傾きデータ、超音波センサー１２０で
測定された高さデータは、測定装置１００に含まれるマ
ルチプレクサー１３０によりハンディターミナル１５０
に送られる。

【００７０】ハンディターミナル１５０は、演算部１５
４を用いて、時間データに基づき、発光部２１０の付近
の所定の計測点からトンネル壁面までの距離を演算し、
この演算結果に基づきトンネル壁面の形状を演算する。

【００７１】また、演算部１５４は、傾きデータおよび
高さデータに基づき、トンネル壁面までの距離の演算結
果およびトンネル壁面の形状の演算結果を補正する。

【００７２】また、ハンディターミナル１５０は、補正
された、トンネル壁面までの距離の演算結果およびトン
ネル壁面の形状の演算結果を記憶部１５２に記憶する。

【００７３】作業者は、ハンディターミナル１５０を持
ち運んでＰＣ１９０に接続して記憶部１５２内の演算結
果を示す情報をＰＣ１９０に読み取らせる。

【００７４】また、作業者は、読み取らせた演算結果を
ＰＣ１９０で加工してグラフ表示したり、データ分析を
行ったりすることができる。

【００７５】記憶部１５２や演算部１５４の機能を測定
装置１００に組み込むことも可能であるが、これらの機
能をハンディターミナル１５０に組み込むことにより、
計測結果を持ち運ぶことができるため、計測結果を種々
のコンピュータに記憶させやすく、データの加工等を行
いやすい。

【００７６】なお、例えば、演算部１５４の機能を測定
装置１００に組み込む場合、超音波センサー１２０を、
超音波を用いてトンネル内のレーザー光ユニット２００
の設置高さを計測し、この設置高さに基づき計測点の設
置高さを計測するように構成することが可能である。

【００７７】次に、これら各部の機能を組み込んだ実際
の測定装置１００について説明する。

【００７８】図３は、本実施の形態の一例に係る測定装
置１００の全体図である。

【００７９】測定装置１００は、トンネルの覆工後、す
なわち、変動のない安定した状態の底面に三脚１８２−
１〜３によって固定される。三脚１８２と接続された架
台１８０内には超音波センサー１２０、マルチプレクサ
ー１３０、２軸傾斜計１１０が設けられ、架台１８０上
にレーザー光ユニット２００が設置されている。

【００８０】超音波センサー１２０は、レーザーマーカ
ー１２２、反射板１２６、超音波センサー１２０を含ん
で構成されている。

【００８１】測定の開始時において、レーザーマーカー
１２２から発光されて反射板１２６により下方に反射さ
れるレーザー光が、トンネル底面に設けられた所定の基
準点に合うように三脚１８２を微調整する。

【００８２】基準点自体はあらかじめ３次元における位
置が把握されているため、後は計測における計測点Ｐの
高さと、計測方向が分かれば計測点Ｐの３次元における
位置が把握できることになる。

【００８３】計測点Ｐの高さを測定するのが超音波セン
サー１２０である。作業者によるハンディターミナル１
５０からの指示により、超音波センサー１２０が起動
し、トンネル底面から計測点Ｐまでの高さが計測され
る。なお、ここで、計測点Ｐとしてはレーザー光ユニッ
ト２００の設置される架台１８０の上部であってもよ
く、レーザー光ユニット２００内の所定の点であっても
よい。

【００８４】また、計測点Ｐを変更して測定する場合で
あっても短時間に測定することができる。すなわち、例
えば、トンネル３００の天端だけ測定する場合は発光部
２１０、受光部２２０および前記計測点Ｐを天端３９２
付近に設けることが好ましい。すなわち、高い位置に設
けたほうが連続的に測定しやすい。このように、基準位
置から高さを変更した場合でも、再度基準位置を設定し
直さなくても高さの補正処理を行うだけで速やかに測定
を開始することができる。

【００８５】また、レーザー光ユニット２００はユニッ
ト化され、超音波センサー１２０自体も架台１８０に設
置されるものであるため、所定点の高さが分かれば、そ
の値に既知の所定点から計測点Ｐまでの高さを加えれば
計測点Ｐまでの高さは容易に求められることになる。

【００８６】また、計測点Ｐの方向の把握のため、測定
装置１００の傾きが２軸傾斜計１１０により求められ
る。ここで、２軸傾斜計１１０は、水平に直交する２軸
傾斜角を同時に計測するものであり、気泡移動による導
電抵抗変化を検出して傾きを計測するものである。

【００８７】これによれば、上り勾配での掘削、下り勾
配での掘削、曲線掘削等のトンネル底面に傾きが生じる
場合においても短時間かつ連続的にトンネル壁面の形状
を把握することができる。

【００８８】このようにして計測された高さデータおよ
び傾きデータは、マルチプレクサー１３０を介してハン
ディターミナル１５０へ向け送られる。

【００８９】以上のようにして高さと向きが把握された
状態でトンネル壁面の計測が行われる。実際の計測を行
うのがレーザー光ユニット２００である。

【００９０】図４は、本実施の形態の一例に係るレーザ
ー光ユニット２００の模式図である。

【００９１】レーザー光ユニット２００は、発光部２１
０と、受光部２２０と、反射板２３２の設けられた回転
ミラー２３０と、回転ミラー２３０を回転駆動する駆動
部２４０と、発光部２１０から発光された投射光５００
を、反射板２３２へ向け反射する反射板２５０とを含ん
で構成されている。

【００９２】発光部２１０で発光された投射光５００
は、反射板２５０で反射し、さらに、回転ミラー２３０
の反射板２３２で反射してトンネル壁面へ向け投射され
る。

【００９３】トンネル壁面で反射した反射光５０２は、
回転ミラー２３０の反射板２３２で反射して受光部２２
０で受光される。

【００９４】なお、本実施例では、回転ミラー２３０の
回転軸の中心と回転ミラー２３０上の反射板２３２が交
わる部分を計測点Ｐとして設定している。

【００９５】回転ミラー２３０は、駆動部２４０により
回転駆動される。これにより反射板２３２は、図４での
正面向きの状態から、右側面向きの状態を経て、背面向
きの状態まで０．５度単位で１８０度回転可能に形成さ
れている。これにより、投射光５００もトンネル断面に
おける右側面から天端３９２を介して左側面まで投射可
能になっている。

【００９６】このように、発光部２１０を回転させるの
ではなく、発光部２１０から発光された投射光５００の
反射部分である回転ミラー２３０を回転することによ
り、発光部２１０の故障率を低減し、安定して連続的に
測定することができる。

【００９７】また、反射板２３２を回転駆動することに
より、発光部２１０を直接回転する場合と比べてより広
範囲に発光することができる。これにより、トンネル３
００の内径を計測する場合、天端３９２等の上面だけで
なく、待避道部分等の側面も快適に測定できる。

【００９８】次に、測定装置１００を用いたトンネル３
００の内径計測について説明する。

【００９９】図５は、本実施の形態の一例に係るトンネ
ル内径計測時の模式図である。

【０１００】図５に示すように、計測範囲は右側面へ向
けた投射光５９０から左側面へ向けた投射光５８０まで
の角度θである。なお、角度θが１００度から１８０度
まで任意の角度を設定することができるようにレーザー
光ユニット２００は形成されている。

【０１０１】投射光５８０、５９０等を投射してからそ
の反射光を受光するまでの時間に基づき計測点Ｐからト
ンネル３００の壁面までの距離ｒ１が求められる。ま
た、測定装置１００におけるトンネル３００の底面から
計測点Ｐまでの高さＨを考慮することにより、実際のト
ンネル内径ｒが、ｒ＝ｒ１＋Ｈという式により求めるこ
とができる。

【０１０２】次に、本出願の発明者による実際の計測デ
ータについて説明する。

【０１０３】図６は、トンネル内径の計測結果の一例を
示す図である。

【０１０４】図６に示すように、予定されるトンネル３
００の形状に沿った形で計測データ４００が計測できて
いる。実際には、掘削後に二次覆工が行われてトンネル
３００の形状に形成される。

【０１０５】図７は、トンネル内径の計測結果の他の一
例を示す図である。

【０１０６】図７に示すように、予定されるトンネル３
０２の形状に沿った形で計測データ４０２が計測できて
いる。ここで、トンネル３０２の壁面には、待避道も含
まれている。すなわち、これによれば、一般的なトンネ
ル内径計測では計測の難しい待避道部分も快適に計測で
きる。なお、待避道以外にも風管や給排水管等がトンネ
ル壁面に含まれる場合も同様に測定できる。

【０１０７】以上のように、本実施の形態によれば、レ
ーザー光のトンネル壁面からの反射光を所定の受光範囲
で受光できるため、受光するために受光手段の設置角度
を変更する必要をなくし、短時間に連続的に測定するこ
とができる。連続して測定することにより、トンネル壁
面の形状を短時間で把握することができる。これによ
り、トンネルの内径や切羽の変位を迅速に把握すること
ができる。したがって、トンネル内壁を短時間かつ連続
的に計測できるトンネル内壁測定システムを実現でき
る。

【０１０８】このように、トンネルの内径を短時間に正
確に把握することにより、余掘りを必要最小限とし、覆
工用コンクリートの打設量等を低減し、トンネルの構築
に要するコストを削減することができる。

【０１０９】次に、上述した測定装置を用いた切羽の不
連続面の把握手法について説明する。

【０１１０】（切羽の不連続面の把握についての説明）
軟岩の地山を掘削する場合、比較的変位が大きく、継続
して変形が生じるため、対策工の検討を実施しやすい
が、中硬岩の地山を掘削する場合には、不連続面で形成
されたキーブロック（当該ブロック（岩）の崩壊によっ
て他のブロックの崩壊を引き起こす岩のこと）が突然崩
落して大きな事故となることが多く、安全性の確保等の
実現が極めて重要となる。

【０１１１】図１１（Ａ）は、切羽３９０の正面の模式
図であり、図１１（Ｂ）は切羽の平面断面の模式図であ
る。

【０１１２】図１１（Ａ）に示すように、切羽３９０の
掘削によりキーブロック９００の下部を掘削してしまう
と、これに伴ってキーブロック９００全体が崩落する。
そして、キーブロック９００全体の崩落に伴って、キー
ブロック９００が支持していた両側のブロック９１０、
９１２も崩落してしまう。

【０１１３】このような崩落を防止するために切羽３９
０の不連続面を把握する手法が必要となる。このような
手法として、例えば、切羽３９０を撮像して図１１
（Ａ）に示す撮像データを用いる手法が考えられるが、
撮像データを用いて画像処理（リニアメント抽出）を行
った場合、切羽の稜線９２０、９２２も不連続面として
取り扱ってしまう場合がある。

【０１１４】一方、上述した発光と受光により求められ
る切羽の形状データだけを用いた場合、図１１（Ｂ）に
示すような切羽３９０の凹凸は判断しやすいが、不連続
面を把握するには正確性に欠ける。

【０１１５】そこで、本実施の形態では、撮像データ
と、発光と受光により求められる切羽の形状データの両
方を用いることとした。

【０１１６】図８は、本実施の形態の一例に係る切羽３
９０の不連続面測定システムの全体図である。また、図
９は、本実施の形態の一例に係る測定装置１００の外観
図である。また、図１０は、本実施の形態の一例に係る
不連続面測定システムの機能ブロック図である。

【０１１７】この不連続面測定システムは、図２を用い
て説明したシステムに加えて、切羽３９０を撮像する撮
像手段であるデジタルカメラ８００と、測定装置１００
およびデジタルカメラ８００を駆動する駆動部６５０と
を含んで構成されている。

【０１１８】デジタルカメラ８００で撮像された撮像デ
ータは、マルチプレクサ１３０を介してハンディターミ
ナル１５０に送られ、記憶部１５２に累積的に記憶され
る。

【０１１９】演算部は、受光部２２０の寿好結果と、デ
ジタルカメラ８００の撮像結果を用いて切羽３９０の不
連続面形状を演算する。

【０１２０】また、この不連続面測定システムは、測定
装置１００等の走行手段として、測定装置１００等と一
体的に設けられたタイヤ６４０と、タイヤ６４０を駆動
する走行駆動部６３０と、天端３９２に設けられたレー
ル６２０とを含んで構成されている。

【０１２１】また、測定装置１００等は、測定装置１０
０およびデジタルカメラ８００を備えた駆動部６５０が
走行駆動部６３０に固設され、タイヤ６４０がＨ型のレ
ール６２０に支持されることにより、切羽３９０に向か
って走行可能に形成されている。

【０１２２】これにより、掘削によって切羽３９０の位
置が変わった場合でも、それに合わせて測定装置１００
等を迅速に移動でき、切羽３９０の不連続面の把握等の
連続して測定を行う必要がある場合に快適に測定を行う
ことができる。

【０１２３】また、測定装置１００等を、天端３９２に
設けられたレール６２０上を走行させることにより、ト
ンネル３００の底面を走行する台車や輸送設備等の妨げ
とならずに迅速に切羽の不連続面の把握等を行うことが
できる。

【０１２４】次に、切羽３９０の不連続面測定の手順に
ついて説明する。

【０１２５】図１２は、本実施の形態の一例に係る不連
続面測定手順を示すフローチャートである。

【０１２６】まず、デジタルカメラ８００により切羽３
９０を撮像し、切羽画像データをハンディターミナル１
５０に入力する（ステップＳ１）。

【０１２７】また、これと並行して受光部２２０で得ら
れた切羽形状測定データとしての受光結果をハンディタ
ーミナル１５０に入力する（ステップＳ２）。

【０１２８】そして、ハンディターミナル１５０内の演
算部１５４は、記憶部１５２に記憶された切羽画像デー
タを、切羽形状測定データと所定の校正体とを用いて補
正する（ステップＳ３）。具体的には、切羽画像データ
は斜めに撮像されたデータであるため、正面から見た画
像に校正する。

【０１２９】次に、演算部１５４は、不連続面の自動抽
出を行う（ステップＳ４）。具体的には、切羽画像デー
タからエッジの抽出等を行う。なお、この段階では、エ
ッジの抽出結果等は、必ずしも不連続面を示すものでは
なく、稜線箇所（凸部）や地質変化部（色濃度が変化し
ている部分）も不連続面として取り扱ってしまう場合が
ある。

【０１３０】次に、演算部１５４は、再び切羽形状測定
データを入力し（ステップＳ５）、誤った不連続面の消
去や、正しい不連続面の追加を行ってデータを補正する
（ステップＳ６）。

【０１３１】次に、演算部１５４は、トンネル距離デー
タを入力する（ステップＳ７）。これにより、どの地点
で撮像や測定を行ったか把握でき、３次元の不連続面を
把握しやすくなる。

【０１３２】次に、ＰＣ１９０は、演算部１５４による
補正後の不連続面データと、トンネル距離データとを用
いて３次元不連続面構造を作成する（ステップＳ８）。

【０１３３】これらの切羽画像データの入力（ステップ
Ｓ１）から３次元不連続面構造の作成（ステップＳ８）
までの処理は１掘進（１〜２ｍ）ごとに行われる。

【０１３４】また、作業者は、所望のデータ数が収集で
きたかどうかを判断し（ステップＳ１０）、所望のデー
タ数が収集できた場合、ＰＣ１９０を用いて不連続構造
の予測（ステップＳ１０）、不連続体の解析（ステップ
Ｓ１１）を行う。

【０１３５】具体的には、不連続構造の予測（ステップ
Ｓ１０）では、不連続面の変化動向に着目して、切羽前
方の不連続面構造の予測を行う。また、不連続体の解析
（ステップＳ１１）では、予測結果に基づき、数値解析
を行ってキーブロック９００の出現箇所を予測する。

【０１３６】以上のように、本実施の形態によれば、撮
像データと、発光と受光により求められる切羽の形状デ
ータとを用いて、切羽の形状、特に、切羽３９０の不連
続面を正確に把握することができるとともに、キーブロ
ック９００等の把握と、出現の予測を行うことができ、
切羽３９０の崩壊等を適切に防止しつつトンネル３００
の構築を行うことができる。

【０１３７】また、切羽３９０の不連続面の解析を連続
的に行うことにより、切羽３９０の不連続面等を３次元
で把握することができ、キーブロック９００等をより正
確に把握することができ、切羽３９０の崩壊等を適切に
防止しつつトンネル３００の構築を行うことができる。

【０１３８】また、実際には、携帯情報端末であるハン
ディターミナル１５０には、発光部２１０、受光部２２
０、走行駆動部６３０、デジタルカメラ８００を制御す
る制御手段が含まれる。

【０１３９】これにより、遠隔操作で所望のトンネル壁
面の測定を行うことができる。

【０１４０】以上、本発明を適用した好適な実施の形態
について説明してきたが、本発明の適用は上記の実施例
に限定されず、種々の変形も可能である。

【０１４１】例えば、発光部２１０としてレーザー光の
波長を変えながら発光する発光部を適用することができ
る。これによれば、発光から受光までに多少時間がかか
る場合であっても、発光した光を波長により区別できる
ため、連続的に測定することができる。

【０１４２】また、同一計測位置でトンネル内壁面の形
状を継続的に計測することにより、トンネルの内径を把
握するだけでなく、トンネルの内空変位や、切羽の押し
出し等を把握することも可能である。これにより、掘削
における安全性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態の一例に係るトンネル内壁測定シ
ステムの全体図である。

【図２】本実施の形態の一例に係るトンネル内壁測定シ
ステムの機能ブロック図である。

【図３】本実施の形態の一例に係る測定装置の全体図で
ある。

【図４】本実施の形態の一例に係るレーザー光ユニット
の模式図である。

【図５】本実施の形態の一例に係るトンネル内径計測時
の模式図である。

【図６】トンネル内径の計測結果の一例を示す図であ
る。

【図７】トンネル内径の計測結果の他の一例を示す図で
ある。

【図８】本実施の形態の一例に係る切羽の不連続面測定
システムの全体図である。

【図９】本実施の形態の一例に係る測定装置の外観図で
ある。

【図１０】本実施の形態の一例に係る不連続面測定シス
テムの機能ブロック図である。

【図１１】キーブロックを説明するための切羽の模式図
であり、図１１（Ａ）は、切羽の正面図であり、図１１
（Ｂ）は切羽の平面断面図である。

【図１２】本実施の形態の一例に係る不連続面測定手順
を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１００ 測定装置 １１０ ２軸傾斜計 １２０ 超音波センサー １５０ ハンディターミナル ２００ レーザー光ユニット ３００、３０２ トンネル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅川 肇 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA52 AA53 BB08 CC40 DD06 EE00 FF04 FF11 FF33 FF65 FF67 GG04 GG25 HH04 JJ03 JJ05 JJ15 JJ19 JJ26 LL13 MM07 MM16 QQ23 QQ31

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 山岳トンネルにおいて用いられ、被視準
   体を用いずにトンネル壁面の形状を計測するトンネル内
   壁測定システムにおいて、 前記トンネル壁面を走査するためのレーザー光を所定の
   発光範囲で発光する発光手段と、 前記トンネル壁面からの前記レーザー光の反射光を所定
   の受光範囲で受光する受光手段と、 前記レーザー光の発光から受光までにかかる時間に基づ
   き、前記発光手段の付近の所定の計測点から前記トンネ
   ル壁面までの距離を演算し、この演算結果に基づきトン
   ネル壁面の形状を演算する演算手段と、 を含み、 前記発光手段は、 前記レーザー光を反射して投射するための回転駆動可能
   な反射板と、 前記反射板を回転駆動する手段と、 を含み、 前記反射板を回転駆動し、反射角度を変えながら前記ト
   ンネル内壁へ向け前記レーザー光を発光することを特徴
   とするトンネル内壁測定システム。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記発光手段および前記受光手段を有するレーザー光ユ
   ニットと、 当該レーザー光ユニットの傾きを計測する傾斜測定手段
   と、 を含み、 前記演算手段は、前記傾きの計測結果に基づき、前記ト
   ンネル壁面までの距離の演算結果および前記トンネル壁
   面の形状の演算結果の少なくとも一方を補正することを
   特徴とするトンネル内壁測定システム。
3. 【請求項３】 請求項１、２のいずれかにおいて、 超音波を用いてトンネル内の前記レーザー光ユニットの
   設置高さを計測し、この設置高さに基づき前記計測点の
   設置高さを計測する手段を含むことを特徴とするトンネ
   ル内壁測定システム。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記トンネル壁面までの距離の演算結果および前記トン
   ネル壁面の形状の演算結果の少なくとも一方を記憶する
   記憶手段を有する携帯情報端末を含むことを特徴とする
   トンネル内壁測定システム。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかにおいて、 前記発光手段は、前記レーザー光の周波数を変化させな
   がら発光することを特徴とするトンネル内壁測定システ
   ム。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかにおいて、 前記受光範囲は１００度以上１８０度以下に設定されて
   いることを特徴とするトンネル内壁測定システム。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかにおいて、 前記トンネル壁面の一部である切羽を撮像する撮像手段
   を含み、 前記演算手段は、演算により求めた前記トンネル壁面の
   形状および前記撮像手段の撮像結果に基づき、前記切羽
   の形状を演算することを特徴とするトンネル内壁測定シ
   ステム。
8. 【請求項８】 請求項７において、 前記発光手段と、前記受光手段と、前記撮像手段とを有
   する測定装置を、前記トンネルの内部を切羽方向に走行
   させる走行手段を含むことを特徴とするトンネル内壁測
   定システム。
9. 【請求項９】 請求項７、８のいずれかにおいて、 前記演算手段は、前記切羽の掘削に伴って前記切羽の形
   状の演算を連続して行い、前記切羽の３次元の形状を演
   算することを特徴とするトンネル内壁測定システム。
10. 【請求項１０】 請求項９において、 前記切羽の３次元の形状に基づき、前記切羽に存在する
    当該ブロックの崩壊によって他のブロックの崩壊を引き
    起こすキーブロックを把握する手段を含むことを特徴と
    するトンネル内壁測定システム。
11. 【請求項１１】 トンネル壁面の形状を計測するトンネ
    ル内壁測定方法において、 前記トンネル壁面を走査するためのレーザー光を発光す
    る工程と、 前記トンネル壁面からの前記レーザー光の反射光を所定
    の受光範囲で受光する工程と、 前記レーザー光の発光から受光までにかかる時間の計測
    結果に基づき、所定の計測点から前記トンネル壁面まで
    の距離を演算し、この演算結果に基づきトンネル壁面の
    形状を演算する演算工程と、 を含むことを特徴とするトンネル内壁測定方法。
12. 【請求項１２】 請求項１１において、 前記計測点の傾きを計測する工程を含み、 前記演算工程は、前記傾きの計測結果に基づき前記トン
    ネル壁面までの距離の演算結果および前記トンネル壁面
    の形状の演算結果の少なくとも一方の補正を行う工程を
    含むことを特徴とするトンネル内壁測定方法。
13. 【請求項１３】 請求項１１、１２のいずれかにおい
    て、 前記演算工程は、前記トンネル壁面の一部である待避道
    の形状を演算する工程を含むことを特徴とするトンネル
    内壁測定方法。
14. 【請求項１４】 請求項１１〜１３のいずれかにおい
    て、 前記トンネル壁面の一部である切羽の撮像を行う撮像工
    程を含み、 前記演算工程は、前記切羽の撮像結果に基づき、前記切
    羽の形状を演算する工程を含むことを特徴とするトンネ
    ル内壁測定方法。
15. 【請求項１５】 請求項１４において、 前記レーザー光の発光、受光、前記切羽の撮像は、トン
    ネルの掘削に伴って複数回行われ、 前記演算工程は、複数の受光結果および複数の撮像結果
    に基づき、前記切羽の３次元形状を演算する工程を含む
    ことを特徴とするトンネル内壁測定方法。
16. 【請求項１６】 請求項１５において、 前記切羽の３次元形状に基づき、前記切羽に存在する当
    該ブロックの崩壊によって他のブロックの崩壊を引き起
    こすキーブロックを把握する工程を含むことを特徴とす
    るトンネル内壁測定方法。