JP2005292043A - 空洞内壁面形状計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 地上面上に台座等を必要とせず、また、空洞内に凹部があっても正確に空洞内の立体形状を計測することのできる空洞内壁面形状計測装置を提供する
【解決手段】 メインコントローラ1、水平角回動装置2、ガイド管3、鉛直角回動装置4、レーザ距離計5、及び信号ケーブル6により構成され、ガイド管3先端に取り付けたレーザ距離計5を、空洞22内に固定して水平各方向及び鉛直各方向に回動させつつ空洞22の壁面8までの距離を計測する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、地中に存在する空洞内の空間の一点から空洞内壁面までの距離を測定することにより空洞の形状や容積を計測する空洞内壁面形状計測装置に関する。
地下に処理されていない防空壕等の空洞がある場合、空洞の上部を形成する地質及び地下の空洞の位置や大きさから陥没の危険性を予測し、必要ならコンクリートなどで空洞を埋め戻すことにより陥没の危険を回避する必要がある。このためには、空洞の立体的形状を計測して、埋め戻す空間の内容量をあらかじめ算出し、埋め戻しに使用するコンクリート量などを決定しなければならない。
この場合、空洞の立体的形状を計測し、その内容積を算出することができる空洞計測装置として特開平11−30518号公報に記載のものが公知である。この公報に記載された空洞計測装置について簡単に説明する。
図7は特開平11−30518号公報に記載された空洞計測装置のブロック図である。
図7において、地面から地下に存在する空洞10Bに向けてボーリング孔10が削孔され、ボーリング孔10の底10Cは空洞10Bより深く削抗されている。ボーリング孔10の周囲の地面に台座89が設置され、台座89にはボーリング孔10の上部位置にガイドローラ88と、モータ87により回転する駆動ローラ86とを有している。
筒状のロッド81は、ガイドローラ88に上下自在に支持され、駆動ローラ86により任意の深さに自動的に移動する。ロッド81の先端には、ガラスやアクリルなどの透明カバー84が設けられており、透明カバー84の内部にレーザー送受光部83が設けられ、レーザー送受光部83から透明カバー84を通過して空洞10Bの壁面10Aへレーザー光を送出しその反射光を受光しレーザー光送出から受光までのレーザ光往復時間85を計測することで、レーザー送受光部83から空洞10Bの壁面10Aまでの距離を測定する。また、レーザー送受光部83の上部には、任意の回動角度方向にレーザー送受光部83を回動させる回動部82が設けられている。
また、処理部91は、レーザ送受光部83からの信号を変換する信号変換部95、信号変換部95からのデータに基づいて壁面10Aまでの距離を算出する演算処理部96、演算処理部96により算出された空洞10Bの立体形状や内容積を画面出力あるいは印刷出力するデータ出力部97、及びレーザー送受光部83を駆動するレーザー駆動部94、ロッド81の回動を制御する回動制御部92、ロッド81を上下させる駆動ローラ86を制御するためのモータ制御部、並びにこれらを制御する制御部98からなる。
次に、本公報に記載された空洞計測装置の動作を説明すると以下のようになる。
まず、モータ駆動部93を制御して、筒状のロッド81をあらかじめ設定されている計測最下位置まで降下させて停止させる。次に回動制御部92を制御して、回動部82によりレーザー送受光部83を回動させ、レーザー光の送受光方向を所定の基準角度θ0へ向け、レーザ駆動部94を制御することによりレーザー光の送受光を行いレーザー送受光部83から壁面10Aまでの距離Lを算出する。続いて、レーザー送受光部83を所定の角だけ回動させそして同様に壁面10Aまでの距離Lを算出する。そして、この距離をロッド81の深さh及び角度θにおける壁面10Aまでの距離Lとして記憶する。
レーザー光の送受光方向を所定の角だけ回動させ、そのたびに上記の動作を繰り返し、レーザー光の送受光方向を一回転させたなら、ロッド81を所定の長さだけ引き上げ、同様にその位置レーザー光の送受光方向1ステップずつ回転させ距離を測定記憶させる。一回転したらロッド81を所定の長さだけ引き上げ同様の動作を繰り返す。ロッド81が最上位置まで来たら計測は完了する。
特開平11−30518号公報
この装置で計測することにより、空洞内の立体形状をある程度正確に計測でき、その内容積をある程度高精度に算出することが可能となるが、計測の過程でレーザー送受光部83を設置したロッド81を上下させなければならず、ロッド81を支えるため地表面に台座89を設けなければならない。
例えば、地表面下5メートルの位置から深さ10メートルに亘る空洞があったとすると、ロッド89は10メートル上下させる必要があることになる。従って、この空洞の形状を計測するためには、地表面上に最大10メートル程度ロッド81が突出しても支えることのできる台座89を設けなければならない。
また、レーザー光の送受光方向を水平角方向に回動させながら計測するので、図8に示すように、空洞の天井面あるいは床面に凹部71があった場合うまく計測できない場合がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、地中に存在する空洞内の空間の一点から空洞内壁面までの距離を測定することにより、地上面上に突出したロッドを支えるための台座等を必要とせず、また、空洞内天井面や床面に凹部があっても正確に空洞内の立体形状を計測することのできる空洞内壁面形状計測装置を提供することを目的とする。
本発明にかかる空洞内壁面形状計測装置は、地中に存在する空洞の形状や容積を計測する空洞内壁面形状計測装置であって、レーザ距離計を前記空洞内の固定中心に対して互いに垂直な平面上を回動させる駆動手段を有することを特徴とする。
このように、本発明にかかる空洞内壁面形状計測装置によれば、レーザ距離計を、空洞内の固定中心に対して互いに垂直な平面上を回動させるので、先端にレーザー距離計を設けたロッドを地表面上に突出させた状態で上下させる必要がなく、このロッドを支えるための台座も必要としない。また、空洞内の固定中心から任意の方向(任意の鉛直角方向及び垂直角方向)における空洞内壁面までの距離を測るので、空洞内天井面や床面に凹部があっても正確に空洞内の立体形状を計測することができる。
上記のように、本発明による空洞内壁面形状計測装置によれば、レーザ距離計を、空洞内の固定中心に対して互いに垂直な平面上を回動させるので、先端にレーザー距離計を設けたロッドを地表面上に突出させた状態で上下させる必要がなく、このロッドを支えるための台座も必要としない。また、空洞内の固定中心から任意の方向(任意の鉛直角方向及び垂直角方向)における空洞内壁面までの距離を測るので、空洞内天井面や床面に凹部があっても正確に空洞内の立体形状を計測することができる。
以下、本発明にかかる空洞内壁面形状計測装置の一実施の形態について、図1乃至図6を参照して詳細に説明する。
図1は地下の空洞に本実施の形態に係る空洞内壁面形状計測装置を適用した場合の模式図を示し、図2は本実施の形態に係る空洞内壁面形状計測装置の全体構成図を示す。
本実施の形態に係る空洞内壁面形状計測装置は、メインコントローラ1、水平角回動装置2、ガイド管3、鉛直角回動装置4、レーザ距離計5、及び信号ケーブル6により構成される。
メインコントローラ1は、信号ケーブル6を介して、水平角回動装置2、鉛直角回動装置4、及びレーザ距離計5と信号の授受を行う。すなわち、メインコントローラ1は、これらの装置及び計器に必要な電源を供給すると共に、水平角回動装置2と鉛直角回動装置4に回動指令信号を与え、これらの装置からその回動角度信号を受け取る。また、メインコントローラ1は、レーザ距離計5から空洞内壁面までの距離信号を、レーザ距離計5から受け取る。そして、受け取った信号を解析することで、空洞22の壁面8の座標を計算し、空洞の大きさを算出する。
水平角回動装置2は、地表面23から空洞22まで穿孔されたボーリング孔31の上端部に設けられ、ボーリング孔31に挿入されたガイド管3を介して鉛直角回動装置4を水平方向に(水平面上を)回動させる機能を持つ。すなわち、水平角回動装置2には、ガイド管3を回動させるためのサーボモータ及び回動角検出装置が組み込まれており、サーボモータは、メインコントローラ1からの信号に応じてガイド管3を所定の角度回動させる。回動角検出装置は、ガイド管3の回動角度を検出し、その角度信号をメインコントローラ1に伝送する。
ガイド管3は、水平角回動装置2と鉛直角回動装置4とを機械的に接続し、地表面23に設けられた水平角回動装置2からの動力を空洞22内の鉛直角回動装置4に伝える。また、ガイド管3は、中空構造になっており、管の内側に設けられた信号線を介して、鉛直角回動装置4及び鉛直角回動装置4に組み込まれたレーザ距離計5からの信号をメインコントローラ1に伝送する。
鉛直角回動装置4は、レーザ距離計5を鉛直方向に(鉛直面上を)回動させる。すなわち、ガイド管3の先端に取り付けられた鉛直角回動装置4には、その側面に取り付けられたレーザ距離計5を回動させるためのサーボモータ及び回動角検出装置が組み込まれており、サーボモータは、メインコントローラ1からの信号に応じてレーザ距離計5を所定の角度回動させる。回動角検出装置は、レーザ距離計5の回動角度を検出し、その角度信号をメインコントローラ1に伝送する。
レーザ距離計5は、レーザ送光部と受光部とを持ちレーザ光の送受光の時間差に基づいてレーザ距離計5から壁面8までの距離を計測する。レーザ距離計5は鉛直角回動装置4の側面に取り付けられ、鉛直角回動装置4により鉛直方向(鉛直面上を)に所定の角度回動させられる。一方、鉛直角回動装置4は、ガイド管3を介して水平角回動装置2により水平方向に(水平面上を)所定の角度回動させられるので、空洞22内において、ガイド管3の先端に取り付けられた鉛直角回動装置4の位置から任意の方向での空洞22内の壁面8までの距離を計測することができる。
なおここで、レーザ距離計5の回動方向に関して、例えば、回動の中心軸と直交する平面が水平面をなす場合は「水平方向に回動する(回動させる)」または「水平面上を回動する(回動させる)」と定義し、回動の中心軸と直交する平面が鉛直面をなす場合は「鉛直方向に回動する(回動させる)」または「鉛直面上を回動する(回動させる)」と定義する。
つまり、レーザ距離計5の回動方向を回動の中心軸と直交する平面により定義するものである。従って、「互いに垂直な平面上を回動させる」とあれば、回動軸が2つあって、この2つの回動軸と直交する2つの平面が互いに垂直であることを意味する。
図2に示すように、水平角回動装置2にはガイド管3が軸着され、ガイド管3の先端にレーザ距離計5を装備した鉛直角回動装置4が装着される。ガイド管3の先端に装着されたレーザ距離計5及び鉛直角回動装置4は、地表面23から空洞22まで鉛直方向に穿孔されたボーリング孔31の保孔用VU管21に沿わせて、吊り下ろされ、空洞天端から約1m下方に固定される。
水平角回動装置2は、ボーリング孔口VU管直上部に固定され、水平角回動装置2の空間座標(Xi,Yi,Zi)とレーザ距離計5の空間座標(Xj,Yj,Zj)が確定する。そして、レーザ距離計5の計測方向、計測結果から、空洞22内の壁面8におけるレーザ照射位置7の座標(Xk,Yk,Zk)を算定する。
ガイド管3は、水平角回動装置2により、ガイド管3の中心軸を中心として水平方向(φ方向)に回動する。ガイド管3の回動に伴いその先端に取り付けられた鉛直角回動装置4及びレーザ距離計5も水平方向(φ方向)に回動する。さらに、レーザ距離計5は、鉛直角回動装置4により、鉛直方向(θ方向)に回動する。
空洞22内において、レーザ距離計5は、壁面8にレーザ光を照射し、レーザ距離計5から、このレーザ光線が壁面8に照射された位置(レーザ照射位置7)までの距離を測定する。
レーザ照射位置7までの距離計測は、まず、レーザ距離計5の計測方向の基準方向を定める。ここで、基準方向をφ=0、θ=0の方向とし、基準方向におけるレーザ照射位置7までの距離を計測する。
次に、メインコントローラ1は指令を発し、鉛直角回動装置4によりレーザ距離計5を鉛直方向にΔθだけ回動させ、その方向におけるレーザ照射位置7までの距離を計測させる。ここで、レーザ距離計5の鉛直回転角は、鉛直角回動装置4に装備された回動角検出装置によりメインコントローラ1にフィードバックされる。計測した距離と角度(鉛直角θ及び水平角φ)はメインコントローラ1に伝送され記憶される。
基準方向からレーザ距離計5を鉛直方向にΔθだけ回動させた方向におけるレーザ照射位置7までの距離の計測が完了したら、メインコントローラ1は、鉛直角回動装置4によりレーザ距離計5を、さらに、鉛直方向にΔθだけ回動させ、その方向におけるレーザ照射位置7までの距離を計測し、計測した距離と角度を記憶する。
このように、メインコントローラ1は、レーザ距離計5を鉛直方向に、Δθ刻みで回動させ、その方向におけるレーザ照射位置7までの距離を計測し、計測した距離と角度を記憶する。そして、θ=360°になるまでΔθ刻みで計測を続ける。従って、例えばΔθ=5°とすれば、メインコントローラ1は、72方位での鉛直断面データを得ることとなる。
鉛直角θ=0からθ=360°までの計測が完了したら、メインコントローラ1は水平角回動装置2に指令を発し、ガイド管3を介してレーザ距離計5を水平方向にΔφだけ回動させる。そして、水平角度をその角度に固定した状態で、レーザ距離計5を鉛直方向に、Δθ刻みで回動させ、その各々の方向におけるレーザ照射位置7までの距離をθ=360°になるまで計測する。このとき、レーザ距離計5の水平回転角は、水平角回動装置2に装備された回動角検出装置によりメインコントローラ1にフィードバックされる。計測した距離と角度(鉛直角及び水平角)はメインコントローラ1に伝送され記憶される。
鉛直角θ=0からθ=360°までの計測が完了したら、さらに、レーザ距離計5を水平方向にΔφだけ回動させ、同様に、水平角度をその角度に固定した状態でレーザ距離計5を鉛直方向にΔθ刻みで回動させ、その各々の方向におけるレーザ照射位置7までの距離をθ=360°になるまで計測する。
このように、レーザ距離計5を水平方向にΔφ刻みで回動させ各角度において鉛直方向の各方向における計測動作を行い、φ=180°になるまで繰り返す。従って、例えばΔφ=5°とすれば、メインコントローラ1は、水平角で5°ずつ異なった鉛直断面データを36面分得ることとなる。
次に、計測対象となる空洞について説明する。図3は、計測対象となる空洞の断面図である。
図3に示すように、計測対象となる空洞22は、地表面23下2〜10mの位置にあって、幅5〜30m、深さ3〜15mのものであり、D級軟岩あるいは土砂層を掘削して形成されている(図3(a))。
空洞の位置を特定するために、まず、資料の収集・分析・聞き込み調査を行い、大まかな見当を付けた上で、レーダー探査あるいは表面波探査で、空洞22の表面分布範囲と概略の分布深さを明らかにする。
次いで、空洞分布が予想される中央部において、直径86mmのオールコアボーリングを行う(図3(b))。ボーリング孔は孔壁の崩壊防止を図るため、VU管21(φ90mm)にて保孔する。なお、採取した試料は、コア観察、超音波伝播速度測定、一軸圧縮強度試験、単位体積重量測定などに用いる。
ここで、空洞の位置を特定するため、地表面上に座標の原点を定め、原点から水平面上を互いに直交するようにX座標軸、Y座標軸を定め、鉛直方向にZ座標軸を定める。
続いて、ガイド管3の先端に装着されたレーザ距離計5及び鉛直角回動装置4を、地表面23から保孔用VU管21に沿わせて降下させ、空洞天端から約1m下方に固定し、空洞22の形状及び大きさを計測する。
次に、空洞内におけるレーザ距離計5の計測動作について、図4のフローチャートを参照して説明する。これらの動作はメインコントローラ1の指令により行われる。
メインコントローラ1は、まずST1で、レーザ距離計5の位置座標(Xj,Yj,Zj)を確定し記憶する。レーザ距離計5の位置座標(Xj,Yj,Zj)は、水平角回動装置2の座標(Xi,Yi,Zi)とガイド管3の長さから算定することができ、水平角回動装置2の座標(Xi,Yi,Zi)は地表面上に定めた座標の原点からの方向及び距離から定めることができる。
次いでST2で、レーザ距離計5の水平回動角(φ)及び鉛直回動角(θ)を記憶する。これらの角度は水平角回動装置2および鉛直角回動装置4に組み込まれた回動角検出装置から伝送されたものである。なお、計測開始時点におけるこれらの角度の初期値はφ=0、θ=0となる。
続いてST3で、その方向におけるレーザ照射位置7までの距離を計測し、ST4で、レーザ照射位置7の座標(Xk,Yk,Zk)を算定し記憶する。レーザ照射位置7の座標(Xk,Yk,Zk)は、その時の水平回動角及び鉛直回動角を各々φ、θ、レーザ照射位置7までの距離をRとすれば(Xk,Yk,Zk)=(Xj+R・sinθ・cosφ,Yj+R・sinθ・sinφ,Zj+R・cosθ)となる。
次いでST5でレーザ距離計5を鉛直角でΔθだけ回動させ、ST6で鉛直角が360°回動したかどうかを判定し、360°に至っていない場合は、ST2に戻りST2からST5までの動作を繰り返す。
鉛直角が360°回動していたならば、ST7に進み、レーザ距離計5を水平角でΔφだけ回動させ、次いで、ST8で鉛直角が180°回動したかどうかを判定する。水平回動角が180°に至っていない場合は、ST2に戻りST2からST7までの動作を繰り返す。そして、水平回動角が180°になったところで、計測を終了する。
以上の計測から得られるレーザ照射位置7の座標(Xk,Yk,Zk)は離散値となるが、これらの値から補間を行うことで、任意の断面における空洞22の壁面座標を求めることができる。また、このようにして、任意の断面における空洞の形状も求めることができる。
図5(a)は、Y≒14mの平面(鉛直平面)における空洞22の鉛直断面を描いたもので、図5(b)はZ≒14mの平面(地下約14mでの水平面)における空洞22の水平断面を描いたものである。また、得られたデータから、三次元空間座標を使用して空洞内壁面形状を三次元図化することも可能である。
さらに、この計測データから、空洞の底面から1m毎の断面形状を求めその断面積を算出し、台形公式を用いて容積を算出することも可能である。ここで容積をVとし各断面における断面積をSiとすると、
V=1/2・Σ(Si+Si+1)・Δh (Δh=1)
で表される。
V=1/2・Σ(Si+Si+1)・Δh (Δh=1)
で表される。
本実施の形態において、空洞22の底に水が溜まっている場合に、使用するレーザ距離計5の種類によっては、水たまり部分の距離計測がうまくゆかない場合がある。すなわち、照射するレーザ光が水に吸収され空洞22の壁面8まで届かないため距離計測不能となる場合である。かかる場合は、緑色レーザを使用したレーザ距離計5を用いるのが好ましい。緑色レーザ光は水に吸収されないので水たまりの有無にかかわらず壁面8までの距離が計測できるからである。
また、本実施の形態において、水平角回動装置2は地表面に設けガイド管3を介してレーザ距離計5を回動させたが水平角回動装置2を1つの装置に鉛直角回動装置4と共に組み込んでも良い。
1つの装置に、レーザ距離計5と水平角回動装置2と鉛直角回動装置4とを組み込むことにより、水平方向の回動動力を伝達するガイド管3が必要でなくなる。従って、水平角回動装置2等を組み込んだ上記装置をロープなどでボーリング孔31からつり下げ固定することが可能になる。
さらに、レーザ距離計5を回動させる水平角及び鉛直角は、お互いに回転軸が略直交していれば十分で2つの回転角は必ずしも水平と鉛直である必要はない。
また、レーザ距離計5は、空洞天端から約1m下方に固定されるとしたが、
レーザ距離計5の固定位置は、空洞天端から約1m下方でなくても良く、空洞22の中であれば任意の位置に固定して良い。
レーザ距離計5の固定位置は、空洞天端から約1m下方でなくても良く、空洞22の中であれば任意の位置に固定して良い。
また、本実施の形態において、空洞22の壁面の座標を直角座標系で表現したが、これを円筒座標系あるいは球面座標系で表しても良いことはいうまでもない。
このように、本実施の形態によれば、レーザ距離計5を、空洞22内に固定して水平角方向及び鉛直角方向に回動させつつ空洞22の壁面8までの距離を計測するので、先端にレーザー距離計5を設けたロッドを地表面上突出させた状態で上下させる必要がなく、このロッドを支えるための台座も必要としない。また、空洞22内の固定中心から任意の方向(任意の鉛直角方向及び垂直角方向)における空洞22内壁面8までの距離を測るので、空洞内天井面や床面に凹部があっても正確に空洞内の立体形状を計測することができる。
1 メインコントローラ
2 水平角回動装置
3 ガイド管
4 鉛直角回動装置
5 レーザ距離計
6 信号ケーブル
7 レーザ照射位置
8 壁面
22 空洞
2 水平角回動装置
3 ガイド管
4 鉛直角回動装置
5 レーザ距離計
6 信号ケーブル
7 レーザ照射位置
8 壁面
22 空洞
Claims (6)
- 地中に存在する空洞の形状や容積を計測する空洞内壁面形状計測装置であって、
レーザ距離計を前記空洞内の固定中心に対して互いに垂直な平面上を回動させる駆動手段を有することを特徴とする空洞内壁面形状計測装置。 - 地中に存在する空洞の形状や容積を計測する空洞内壁面形状計測装置であって、
前記空洞内の空間に固定されたレーザー距離計の距離測定方向を鉛直角方向及び水平角方向に回動させる手段と、
空洞内の前記レーザー距離計の位置と、当該レーザー距離計の計測方向と、当該レーザー距離計により計測した空洞内壁面までの距離とから空洞の立体形状を計測する演算処理部を備えることを特徴とする空洞内壁面形状計測装置。 - 前記レーザー距離計は、当該空洞に連通する孔や管を介して前記レーザー距離計を先端に取り付けた所定の長さのロッドを前記空洞内に挿入することにより、前記空洞内に固定されることを特徴とする請求項1乃至請求項2のいずれか1項に記載の空洞内壁面形状計測装置。
- 前記レーザー距離計の距離測定方向を鉛直角方向及び水平角方向に回動させる手段は、前記ロッドの先端に設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の空洞内壁面形状計測装置。
- 前記レーザー距離計の距離測定方向を水平角方向に回動させる手段は、前記ロッド全体を回転させることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の空洞内壁面形状計測装置。
- 前記レーザー距離計緑色レーザを用いたことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の空洞内壁面形状計測装置。
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