JP2001289620A

JP2001289620A - トンネル内施工状態検知方法

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Publication number: JP2001289620A
Application number: JP2000107722A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Mikami; 哲司三上; Satoru Amano; 悟天野; Kenji Akiyoshi; 賢治秋好; Takahisa Ida; 隆久井田; Katsuya Miyake; 克哉三宅; Koichi Sagawa; 公一佐川
Original assignee: REGURUSU KK; Obayashi Corp; Zenitaka Corp
Current assignee: REGURUSU KK; Obayashi Corp; Zenitaka Corp
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2001-10-19
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP4533502B2

Abstract

(57)【要約】【課題】内空変位計測と内空断面形状計測と切羽面撮
像とを一台の装置を用いて容易におこなうことができる
とともに、トンネル内空の面情報を収集可能なトンネル
内施工状態検知方法を提供する。【解決手段】光を走査しながら計測対象たるトンネル
内壁１ａに投射して画像を取り込む画像取込機能と、走
査点９ｃまでの距離を計測する視差式測距機能と、走査
点９ｃの方向を検知する測角機能とを有する光学式スキ
ャナー装置５を用いて、トンネル内の内空変位計測情報
と、内空断面形状計測情報と、切羽面画像情報とを取得
することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル内の内空
変位、内空断面形状、および切羽面などのトンネルの施
工状態を検知する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりトンネルにおける施工管理は、
（ａ）内空変位計測（天端沈下計測）、（ｂ）内空断面
形状計測、および（ｃ）切羽面調査によっておこなわれ
ている。

【０００３】（ａ）内空変位計測は、トンネル掘削後の
地山の動きを、トンネル内壁の経時変位を測定すること
により定量的にとらえるものであり、この計測結果に基
づいてトンネルの安定性を判断している。この計測方法の代表例を図４（ａ）に示す。トンネル内
空の一断面上の計測対象位置にプリズム８１ａを固定す
るとともに、トンネル１の略幅中央に光波式測距測角装
置８３を配置する。そして、光波式測距測角装置８３か
ら投射された光波８５を前記プリズム８１ａにて反射
し、この反射された光波光８７を同装置に取り込んで、
両者間の相対距離および相対方位を、すなわち相対座標
を測定する。一方、絶対座標が既知の座標基点にプリズ
ム８１ｂを配置し、このプリズム８１ｂの相対座標を同
様に計測することで光波式測距測角装置８３の絶対座標
がわかり、この絶対座標を介して前記計測対象位置の絶
対座標を算出する。そして、この座標データを所期の期
間取得して、トンネル掘削後の地山の動きを定量的にと
らえるものである。

【０００４】（ｂ）内空断面形状計測はトンネル掘削方
向の適宜間隔毎にその内空断面形状を計測するものであ
り、この計測結果は余堀り管理や二次覆工コンクリート
の余巻き管理に使用される。この計測方法の代表例を図４（ｂ）に示す。この計測は
断面測定機８９でなされ、この断面測定機８９は、三脚
台に取り付けられた自動旋回装置と、この自動旋回装置
に取り付けられたレーザー式測距儀とで構成される。こ
の測定機８９を計測対象のトンネル内壁１ａの下方に配
置し、自動旋回装置によって、前記測距儀の光軸方向を
内壁面に対して垂直にするとともに、この内壁面に沿っ
て旋回させてレーザー光８６を投射し、その反射光８８
を受光することで内壁面までの距離を測定する。そし
て、その時の旋回角度データと距離データとによって内
空断面形状を把握するものである。

【０００５】（ｃ）切羽面調査は切羽面３の地質状態を
見て地質判定をするものであり、この判定結果に基づい
て掘削方法や支保工などの施工方法の選定がなされる。この切羽面３の調査方法は、図４（ｃ）に示すようにデ
ジタルカメラ９１などによって切羽面３を撮像し、この
画像を識者が見て地質判定するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の計測・調査は、各々互換性のない専用機器によってな
されるため、各々の機器について操作方法、特性の熟知が必要、各々の測定に高価な専用機器を各々使用しており不経
済、各々の機器について保守点検が必要で管理が煩雑、と
いう問題がある。

【０００７】また、各計測機器については、内空変位計
測では計測断面毎にプリズムを設置することが必要であ
り、内空断面形状計測にあっても、各計測断面毎に逐次
機器を移動して計測しなければならず、両者とも操作性
が悪いという問題がある。

【０００８】更には、近年のトンネル施工技術の高度化
にともない、内空変位計測や内空断面形状計測に対し
て、点や線の情報だけでなく面としての情報を把握する
ことが求められているが、前記方法では、プリズム設置
位置のみの点の情報もしくは断面形状曲線という線の情
報しか得られない。

【０００９】本発明はかかる従来の課題に鑑みて成され
たもので、内空変位計測と内空断面形状計測と切羽面撮
像とを一台の装置を用いて容易にかつ高精度におこなう
ことができるとともに、トンネル内空の面情報を収集可
能なトンネル内施工状態検知方法を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに請求項１に示す発明は、光を走査しながら計測対象
に投射して画像を取り込む画像取込機能と、走査点まで
の距離を計測する視差式測距機能と、走査点の方向を検
知する測角機能とを有する光学式スキャナー装置を用い
て、トンネル内の内空変位計測情報と、内空断面形状計
測情報と、切羽面画像情報とを取得することを特徴とす
る。

【００１１】上記発明によれば、計測対象たるトンネル
内壁に光を走査しながら投射し、視差式測距機能と測角
機能とを用いて、前記光で走査した走査範囲の全走査点
の方向と距離とを認知し、このデータを演算処理して、
前記全走査点の三次元座標、すなわちトンネル内壁の三
次元座標を収集する。したがい、トンネル内空形状を三
次元計測することができて、内空変位計測情報と内空断
面形状計測情報とを取得できる。また、画像取込機能を
用いて、前記走査範囲の全走査点の画像を収集するの
で、この画像を合成などして切羽面の地質状況、湧水状
況、温度分布などの切羽面全体の画像情報を取得するこ
とができる。つまり、一台の前記光学式スキャナー装置
を用いて、内空変位計測情報と内空断面形状計測情報と
切羽面画像情報とを取得することで、内空変位計測と内
空断面形状計測と切羽面撮像とをおこなうことができ
る。

【００１２】また、この光学式スキャナー装置を用い
て、トンネル内壁を光で走査するだけで、前記演算処理
を介して、その走査範囲のトンネル内壁の三次元座標を
収集できる。このため、計測断面毎に機器を逐一移動す
ることなく、トンネルの任意位置について容易にかつ短
時間で内空変位計測と内空断面形状測定とをおこなうこ
とができる。

【００１３】更には、トンネル内壁を走査してその走査
範囲のトンネル内壁の三次元座標がわかるので、トンネ
ル内空の面情報を収集することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施形態を添
付図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明
に係るトンネル内施工状態検知方法による観測時の様子
を示す斜視図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ
線矢視断面図である。また、図２は本実施形態に使用し
た走査距離計の概略構成を示す斜視図である。

【００１５】図１に示すように、本実施形態のトンネル
内施工状態検知方法は一台の計測装置で実施され、この
計測装置は、トンネル１内における絶対座標が任意の座
標基点に配置される光学式スキャナー装置５と、この光
学式スキャナー装置５からの出力データを取り込んで演
算処理などする図示なしのコンピュータとからなる。

【００１６】本実施形態にあっては、前記光学式スキャ
ナー装置５としては、特開平９−１１３２６２号公報で
開示されている走査距離計を使用しており、その詳細構
成は前記公報に記載されているので、ここではその概要
のみを説明する。

【００１７】この走査距離計５は、その内部のレーザー
発信器からのレーザー光を上下左右に走査しながら、こ
のレーザー光をトンネル内壁１ａに投射するとともに、
この走査点９ｃからの反射光９ｂを受けて画像を取り込
む画像取込機能と、任意の走査点９ｃまでの距離を計測
する視差式測距機能と、その走査点９ｃの方向を検知す
る測角機能とを有している。

【００１８】すなわち、この走査距離計５は、投光窓５
４ａからレーザー光９ａを、その投射方向を検知して走
査しながらトンネル内壁１ａに投射し、この走査点９ｃ
からの反射光９ｂを受光窓５４ｂから逐一取り入れて、
走査点９ｃについての投光窓５４ａと受光窓５４ｂとの
視差を算出し、この視差から走査点９ｃまでの距離を逐
一算出するようになっている。また、前記走査点９ｃの
画像データも逐一投光窓５４ａを介して取り込むように
なっている。そして、かかる走査距離計５からは、走査
範囲９ｄの走査点の距離データ、投射方向データおよび
その画像データが外部出力される。

【００１９】図２に、この走査距離計の概略構成を、本
発明の理解に必要な程度にその構成要素を絞って示す。
この走査距離計５は、整形されたレーザー光を放射する
レーザー発信器１２と、整形されたレーザー光を、前記
走査範囲９ｄの水平方向に走査する走査ディスク２０
と、このレーザー光を鉛直方向に走査して、投光窓５４
ａを介してトンネル内壁に投射する第１の縦型走査ミラ
ー４６ａと、前記走査点９ｃから反射されたレーザー光
を受光窓５４ｂを介して受光する、前記第１の縦型走査
ミラー４６ａと同期駆動する第２の縦型走査ミラー４６
ｂと、この縦型走査ミラー４６ｂからのレーザー光およ
び前記水平方向に走査されたレーザー光の両者を前記走
査ディスク２０を介して受光し視差を検知する検出器ア
レイ４０ｂと、前記走査点９ｃからの光を投光窓５４ａ
と前記第１の縦型走査ミラー４６ａと前記走査ディスク
２０とを介して受光し画像を取り込む検出器４０ｂと、
これら構成要素間に配置されてその間の光を中継するミ
ラーやレンズなどの多数の中継光学機器とからなる。

【００２０】図２（ａ）にて、この走査距離計の走査点
までの距離およびその方向を計測する機構について説明
する。尚、同図中、レーザー光の軌跡を波線矢印、一点
鎖線矢印、二点鎖線矢印で示す。

【００２１】レーザー発信器１２から発信されたレーザ
ー光（波線矢印）は、レーザーコリメートミラー１４を
介してその上方の走査ディスク２０に向けられる。この
走査ディスク２０は、その下面に凹面ミラーたるディン
プル１８が複数形成された円盤であり、その中心に取り
付けられた駆動モータ５８によって水平回転するように
なっている。そして、その回転中に前記ディンプル１８
にレーザー光が当たることによって前記走査範囲９ｄの
水平方向にレーザー光を走査する。尚、この時の走査方
向は、前記走査ディスク２０に、前記駆動モータ５８と
ともに設けられた位置エンコーダによって検知される。

【００２２】このディンプル１８に反射されたレーザー
光は、ストリップミラー２２ａと一次ミラー２４ａとを
介して両面ミラー２６に入射する。この両面ミラー２６
は、レーザー光の透過性を若干有しており、前記入射光
の一部を透過し（一点鎖線矢印）その他を反射する（波
線矢印）。この反射光（波線矢印）は、折れ曲がり型ミ
ラー２８ａを介して第１の縦型走査ミラー４６ａに向け
られる。

【００２３】この第１の縦型走査ミラー４６ａは平板状
ミラーであり、その端面に取り付けられた駆動モータ５
６によって鉛直方向に揺動回転するようになっている。
そして、その回転中にレーザー光が当たることによって
前記走査範囲９ｄの鉛直方向にこのレーザー光を走査す
る。尚、この時の走査方向は、前記駆動モータ５６とと
もに設けられた位置エンコーダによって検知される。

【００２４】この第１の縦型走査ミラー４６ａに反射さ
れたレーザー光は、投光窓５４ａを介してトンネル内壁
９ｄへ向けられ、この内壁９ｄを上下左右に走査する。
そして、この走査点９ｃにて反射されたレーザー光（二
点鎖線矢印）は、前記投光窓５４ａの隣に配された受光
窓５４ｂを介して第２の縦型走査ミラー４６ｂに入射す
る。この第２の縦型走査ミラー４６ｂは、前記駆動モー
タ５６によって前記第１の縦型走査ミラー４６ｂと同期
して揺動回転するようになっている。

【００２５】この第２の縦型走査ミラー４６ｂに反射さ
れたレーザー光は折れ曲がりミラー２８ｂを介して両面
ミラー２６に入射する。この両面ミラー２６にて反射さ
れたレーザー光（二点鎖線矢印）は、前述した透過レー
ザー光（一点鎖線矢印）とともに一次ミラー２４ｂとス
トリップミラー２２ｂとを介して前記走査ディスク２０
のディンプル１８に入射する。そして、ディンプル１８
にて反射された両レーザー光は、集光ミラー３０ｂ、レ
ンズ、複合ミラー４２などを介して検出器アレイ４０ｂ
に受光される。

【００２６】この検出器アレイ４０ｂは、光を感知する
多数の受光素子を列状に配したものである。この検出器
アレイ４０ｂ上の前記透過レーザー光の受光位置と、前
記走査点９ｃから反射されたレーザー光の受光位置との
偏差から、走査点９ｃを投光窓５４ａから見た視線と、
受光窓５４ｂから見た視線との視差が算出される。

【００２７】そして、この視差から走査距離計５から走
査点９ｃまでの距離が算出され、前記二つの位置エンコ
ーダから走査点９ｃの水平方向と鉛直方向とが算出され
て、走査点９ｃの距離データとその投射方向データとし
て取り込まれる。

【００２８】次いで図２（ｂ）にて、この走査距離計の
走査点の画像を取り込む機構について説明する。尚、同
図中、走査点からの光の軌跡を波線矢印で示す。

【００２９】走査点９ｃから反射若しくは放出された自
然の光（波線矢印）は、投光窓５４ａを介して、第１の
縦型走査ミラー４６ａに入射する。そして、この光は折
れ曲がりミラー２８ａ、両面ミラー２６、一次ミラー２
４ａ、ストリップミラー２２ａを介して走査ディスク２
０のディンプル１８に入射する。そして、このディンプ
ル１８に反射された光は集光ミラー３０ａを介して検出
器４０ａに受光される。この検出器４０ａは電荷結合素
子などからなり、この検出器４０ａより走査点９ｃの画
像が取り込まれる。

【００３０】前記コンピュータはＲＡＭなどの記憶手
段、ＣＰＵなどの演算手段、ＣＲＴなどの表示手段、キ
ーボードなどの入力手段からなり、前記走査距離計５か
ら、走査点９ｃの距離データと投射方向データと画像デ
ータとを取り込んで、これら三つのデータを対応づけし
て記憶手段に記憶する。そして演算手段によって、前記
距離データと投射方向データとから、すべての走査点の
三次元座標を算出するとともに、前記個々の画像データ
を合成して、走査範囲９ｄのトンネル内空の全体画像を
形成する。

【００３１】そして、前記走査点の三次元座標によって
トンネル内空形状を立体的に把握することができるの
で、所望のトンネル内空位置を指定してその三次元座標
データを読み込めば、前記内空の一部の変位である内空
変位計測結果や、前記内空の一断面の座標である内空断
面計測結果を表示手段に表示することができる。また、
前記トンネル内空の全体画像を形成できるので切羽面３
の画像も表示できる。つまり、本計測装置一台で内空変
位計測、内空断面計測、切羽面撮像をおこなうことがで
きる。

【００３２】更には、前記三次元座標データよりトンネ
ル内空の面情報を算出することもできて、トンネル内の
施工状態を緻密に観測することができる。

【００３３】また、これら収集された三次元座標データ
を汎用の画像解析ソフトなどで処理して、トンネル内空
の鳥瞰図を作成できるとともに、トンネルの内容積を算
出して余堀り管理や二次覆工コンクリートの余巻き管理
に利用することができる。

【００３４】尚、内空変位計測の場合には、図３に示す
ように、トンネル内壁１ａの計測対象断面の内周に沿っ
て適宜間隔にプリズムなどの反射板８１ｃを固定して、
計測することもできる。この場合、予め、全計測対象断
面９１、９３、９５について反射板８１ｃを固定してお
けば、本計測装置５にて、トンネル内空をレーザー光で
走査して前記反射板８１ｃの相対座標を計測すること
で、一度に複数の断面９１、９３、９５の内空変位を計
測できる。

【００３５】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で以下の（ａ）〜（ｃ）
に示すような変形が可能である。（ａ）本実施形態においては、現場で観測結果を表示手
段に表示するようにしたが、これら観測結果を通信回線
を通じて遠方の識者にリアルタイムで送信し、その場所
にて観測結果を表示してもよい。この場合、識者が施工
現場にいなくても、次におこなう施工方法の選定ができ
る。（ｂ）また、トンネル二次覆工コンクリートのひび割れ
調査にも適用できる。（ｃ）更には、トンネル坑口部およびその他の一般斜面
での変形・すべりに対する計測管理にも適用できる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に示す発
明によれば、一台の光学式スキャナー装置によって、内
空変位計測と内空断面形状計測と切羽面撮像とをおこな
うことができるので、一台の機器についてのみその操作
方法や特性を熟知すればよく計測能率が向上する。ま
た、保守点検についても一台についておこなえばよくメ
ンテナンス費用を削減できる。

【００３７】また、計測地点が変わる度に装置を移動す
る必要がないので作業性に優れ、施工管理に要する作業
時間を短縮できる。

【００３８】更には、走査して三次元計測ができるの
で、トンネル内空の面情報を収集できて、この情報によ
って施工精度を向上できて、更に高度なトンネル施工管
理を適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトンネル内施工状態検知方法によ
る観測時の様子を示す斜視図と、同図中のＡ−Ａ線矢視
断面図である。

【図２】本実施形態に使用した走査距離計の概略構成を
示す斜視図である。

【図３】本発明による内空変位計測の一例を示すトンネ
ルの横断面図である。

【図４】従来の内空変位計測、内空断面形状計測、およ
び切羽面調査の様子を示す斜視図である。

【符号の説明】

１トンネル１ａトンネル内壁３切羽面５光学式スキャナー装置、走査距離計５４ａ投光窓５４ｂ受光窓９ａ投射光９ｂ反射光９ｃ走査点９ｄ走査範囲

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三上哲司東京都港区港南２丁目15番２号株式会社大林組東京本社内 (72)発明者天野悟東京都港区港南２丁目15番２号株式会社大林組東京本社内 (72)発明者秋好賢治東京都港区港南２丁目15番２号株式会社大林組東京本社内 (72)発明者井田隆久東京都千代田区一番町31番地株式会社錢高組東京本社内 (72)発明者三宅克哉東京都千代田区一番町31番地株式会社錢高組東京本社内 (72)発明者佐川公一東京都新宿区新宿１丁目36番２号株式会社レグルス内Ｆターム(参考） 2D054 GA04 GA10 GA62 GA65 GA82 GA97 2F065 AA06 AA31 AA51 AA60 CC40 FF05 GG04 JJ02 JJ25 MM16 QQ31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を走査しながら計測対象に投射して画
像を取り込む画像取込機能と、走査点までの距離を計測
する視差式測距機能と、走査点の方向を検知する測角機
能とを有する光学式スキャナー装置を用いて、トンネル
内の内空変位計測情報と、内空断面形状計測情報と、切
羽面画像情報とを取得することを特徴とするトンネル内
施工状態検知方法。